Les Capteurs

De la physique à l’industrie

Christophe HÉRAIL

Ce document a entièrement été réalisé avec des moyens purement informatiques.

En particulier aucune page ou document n'ont été imprimés pendant sa phase

de création et de mises en pages.

C. Hérail – Janvier 2013 IUT GEII - Évry

À Roselyne, Pour sa patience

Préface Il existe une multitude de livres sur les capteurs couvrant les aspects allant de très généralistes à très pointus. D’autre part, on peut les scinder en deux grandes familles :

- Approche physique des phénomènes mis en jeu, - Approche technologique et leur utilisation dans le monde industriel.

Trop rares sont ceux qui regroupent ces deux approches ou alors ils ne se préoccupent que d’une partie des grandeurs physiques. C’est ce constat qui m’a incité et motivé à rédiger ce document afin de présenter l’ensemble des grandeurs physiques mesurables par des capteurs, en développant à la fois les phénomènes physiques mis en jeu et les technologies employées. Il est intéressant de noter que toutes les grandeurs physiques ne sont pas forcément mesurables par un capteur, par exemple le temps ou la chaleur. Dans ce cas-là, on mesure leur conséquence, comme la variation de température pour la chaleur. Ce document représente plus d'un an de recherches et de rédaction et il se veut être une synthèse la plus complète possible. Il a demandé la consultation d’environ 250 livres, 50 thèses, 300 brevets, 500 articles, 2000 documents constructeurs et 500 notes d’applications. Cependant, l'évolution rapide et constante de la recherche, des technologies et des matériaux font qu'il ne peut être qu'une image à un instant donné de ce qui se fait. Chaque chapitre présentera une grandeur physique mesurable. Pour chacune de ces grandeurs les principes physiques employés ainsi que les techniques et technologies associées seront détaillés avec au minimum un exemple industriel illustratif et ses principales caractéristiques. Tous les principes physiques et toutes les technologies ne seront pas systématiquement détaillés à cause de leur complexité et du niveau élevé de connaissance scientifique nécessaire à leur compréhension. Ils seront cependant cités dans les tableaux de synthèse à la fin de chaque chapitre. J'espère que vous aurez autant de plaisir à consulter et à utiliser ce document que j'ai eu à le réaliser. N’hésitez pas à me faire part de vos remarques, suggestions et critiques à [email protected]

Christophe Hérail Agrégé de Génie Électrique Docteur en Physique

NOTATIONS, CONSTANTES ET CONVERSIONS

= 0.r = permittivité (isolant)

0 = 91.10

36. 8,84.10-12 F/m (air)

r = permittivité relative > 1 F constante de Faraday = 96 485 C⋅mol-1

= µ0.µr = perméabilité (magnétique) µ0 = 4..10-7 H/m (air) µr = perméabilité relative > 1 = résistivité (conducteur) 17.10-9 /m à 300K pour le cuivre ou T = température (°C, K) R = constante universelle des gaz parfaits 8,314462 J⋅mol-1⋅K-1

ppm = partie par million = 61

10= 10-6

1’ = 1 minute = 1/60 ° (angle) 1’’ = 1 seconde = 1/60’ (angle) Induction magnétique : Tesla (T) Induction magnétique : Gauss = 10-4 T Champ magnétique : A.m-1. Champ magnétique en Oersted : 1 A.m-1 = 4. pi.10-3 Oe Flux magnétique : 1T.m2 = 1 wb 1 Mach 330m/s 1 lb (livre) 0.4536 kg 1 Pa (Pascal) = 1 N/m2 1 bar = 105 Pa 1 atm = 101 325 Pa = 1013,25 mbar = 760 mmHg à 0°C (pression atmosphérique) 1 mmHg (mm de mercure) = 1 Torr 133,3 Pa 1 PSI 68,95 mbar et 1 bar 14,5 PSI

3Poids moléculaire1 ppm = mg/m

22,4(Gaz)

1 ppp = 1mg/l (eau)

1 % LEL (Level Explosive Limit) = 10 000 ppm (Gaz)

CHAPITRES

Capteurs de température 1

Capteurs magnétiques 15

Capteurs de courant 34

Capteurs d’onde électromagnétique 47 Capteurs optiques 68

Capteurs de position et de déplacement 81

Capteurs de proximité 122

Capteurs et détecteurs de niveau 137

Capteurs de vitesse d’un solide 151 Capteurs de vitesse d’un fluide 165

Capteurs de débit d’un fluide 179

Capteurs de déformation 197

Capteurs de force 205 Capteurs de couple 221

Capteurs de pression 233

Capteurs de pression acoustique 242

Capteurs d’accélération et de choc 254

Capteurs de vibrations 271 Capteurs de radiations et de rayonnements nucléaires 277

Capteurs chimiques 295

Capteurs chimiques en phase aqueuse 299

Capteurs chimiques en phase gazeuse 319

Capteurs d’humidité 367 Détecteurs de fumée, de flamme et d’incendie 389

Capteurs de vide 403

Capteurs biologiques 421

Bibliographie 439 i

SOMMAIRE

I Capteurs de température 1 Thermométrie par résistance 1 Thermométrie par thermocouple 3 Thermométrie par semi-conducteur 7 Thermopile 8 Thermométrie à quartz 9 Thermométrie à onde de surface 10 Résonance quadripolaire nucléaire (RQN) 11 Pyrométrie ou Thermométrie Infrarouge 11 Tableau comparatif 13 Applications 14

II Capteurs magnétiques 15

Champ magnétique : origines, valeurs, capteurs 15 Méthodes de mesure 15 À bobine 16 Fluxgate 17 Micro-fluxgate 20 À effet Hall 22 À effet magnétorésistif 25 Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) 28 Tableaux comparatifs 31 Applications 33

III Capteurs de courant 34 Résistance shunt 34 À bobine sur tore magnétique 35 À bobine de Rogowski 36 À effet Hall 39 À effet magnétorésistif 42 Fluxgate 43 Tableau comparatif 45 Applications 46

IV Capteurs d’onde électromagnétique 47

Principe 47 Paramètres d’une antenne dans l’espace 47 Antennes boucles 49 Dipôle élémentaire 51 Antenne Marconi 54 Dipôle replié – Antenne trombone 54 Antennes Yagi 55

ii

Paraboles 58 Antennes Patch 62 Antennes GSM 63 Tableaux comparatifs 67 Applications 67

V Capteurs optiques 68

À semi-conducteur 68 Photorésistance 68 Photodiode 69 Phototransistor 71 Caméra CCD 72

À vide : photomultiplicateur 75 Tableaux comparatifs 78 Applications 79

VI Capteurs de position et déplacement 81

Potentiomètre 81 Inductif à réluctance variable 82 Inductif à courant de Foucault (Eddy-Current) 84 Transformateur différentiel linéaire (LVDT) 87 Resolver (RVDT) 90 Inductosyn linéaire 91 Inductosyn angulaire 93 À effet Hall 94 Capacitif 96 Optique 99

Codeur optique absolu linéaire 99 Codeur optique absolu angulaire 100 Codeur optique incrémental linéaire 101 Codeur optique incrémental angulaire 102

Magnétorésistif double 105 Codeur magnétorésistif incrémental linéaire 107 Codeur magnétorésistif incrémental angulaire 108 À ultrasons 109 Télémètre laser 110 Par mesure du temps de vol 110

Par déphasage 111 Par triangularisation 112

Par modulation linéaire de fréquence 113 Tableaux comparatifs capteur linéaire 117 Tableaux comparatifs capteur angulaire 119 Applications capteur linéaire 120 Applications capteur angulaire 121

Iii

VII Capteurs de proximité 122 Interrupteur à action mécanique 122 Interrupteur à lame souple (ILS) – Reed switch 123 Inductif à courant de Foucault (Eddy-Current) 124 À effet Hall 128 Magnéto résistif 129 Capacitif 129 À ultrasons 131 Optique 131 Tableau comparatif 134 Applications 135

VIII Capteurs et détecteurs de niveau 137

Capteur conductif 137 Capteur capacitif 139 Capteur à ultrasons 140 Capteur hyperfréquence 141 Capteur à absorption gamma (Radiométrique) 142 Détecteur de niveau magnétique 143 Détecteur de niveau conductif 145 Détecteur de niveau à ultrasons 146 Détecteur de niveau optique 147 Détecteur de niveau à absorption gamma 148 Tableau comparatif 149 Applications 150

IX Capteurs de vitesse d’un solide 151

Vitesse linéaire 151 Effet Doppler 151 Radar hyperfréquence 152 Radar laser 153 Doppler laser 154 Sonde Pitot 154

Vitesse angulaire 156 Génératrice à courant continu 156 Génératrice à courant alternatif 157 À reluctance variable (VRS) 158 À effet Hall et magnétorésitif 160 Doppler laser 161 Fourche optique 162 Codeur incrémental optique 162

Tableau comparatif 163 Applications 164

Iv

X Capteurs de vitesse d’un fluide 165 Anémomètre à coupelles 165 Anémomètre à hélices 166 Anémomètre à fil chaud 167 Anémomètre à ultrasons 170 Vélocimétrie Doppler à ultrasons 172 Vélocimètre laser Doppler 173 Sonde Pitot 174 Tableau comparatif 177 Applications 178

XI Capteurs de débit d’un fluide 179

Débits volumique et massique 179 À turbine 179 À tourbillons (effet vortex) 181 Sonde Pitot 182 Électromagnétique 182 Ultrasonique à temps de transit 184 Ultrasonique Doppler 186 À masse thermique à insertion 187 À masse thermique à capillarité 189 À accélération de Coriolis 191 Tableau comparatif 194 Applications 195

XII Capteurs de déformation 197

Jauge résistive 200 Extensomètre à corde vibrante 200 Extensomètre capacitif 203 Tableau comparatif 204 Applications 204

XIII Capteurs de force 205

Résistance FSR 205 Jauge résistive 208

Anneau dynamométrique 209 Dynamomètre de pesage 210 Cellule de charge 210

Inductif (LVDT + ressort) 211 Jauge capacitive 212 Piézoélectrique 213

Historique et matériaux 213 Principe physique 215 Modèle électrique et conditionneur 216

v


XIV Capteurs de couple 221

Principe fondamental 221 Jauge résistive 222

À bagues 223 Sans bague 224

Mesure de déphasage par roues dentées 226 Mesure de déphasage par disques optiques 227 À transformateur différentiel 228 À arbre magnétique 229 Tableau comparatif 230 Applications 231

XV Capteurs de pression 233

Définition et différents types de pression 233 Membranes ou diaphragmes 234 À jauges 234 À diaphragme capacitif 234 Piézoélectrique 237 À reluctance variable 238 À LVDT 239 Tableau comparatif 240 Applications 241

XVI Capteurs de pression acoustique 242

Appareil vocal – Production de sons 243 Microphone électrodynamique 243 Microphone ruban 244 Microphone à condensateur 245 Microphone Électret 246 Microphone magnétique (guitare et basse) 247 Microphone piézoélectrique 249 Hydrophone 249 Directivité 250 Tableau comparatif 252 Applications 253 Utilisations 253

XVII Capteurs d’accélération et de choc 254 Principe de la mesure en déplacement linéaire 254 Principe de la mesure en angulaire (pendule) 256 À jauge 256

vi

Piézoélectrique 257 Capacitif 257 Optique 260 Fibre optique à réseau de Bragg (FBG) 261 Asservi (force balance) 262 3 axes 264 Gyroscope 266 Tableau comparatif 269 Applications 270

XVIII Capteurs de vibrations 271

Généralités : définition, mesures et influence du capteur 271 Exemples de capteurs utilisés et de grandeurs mesurées 273 Exemple de relevé 274 Exemples industriels 274 Sismomètre 275

XIX Capteurs de radiations et de rayonnements nucléaires 277 Radiation et radioactivité 277

Particules 277 Modes de production 278 Loi de désintégration (demi-vie) 279 Unités objectives 281 Unités subjectives 281 Quelques chiffres 281

Généralités sur les détecteurs 282 Détecteur à ionisation 283 Principe 284 Zones de fonctionnement 285 Détecteur à scintillations 289 Principe 289 Récupération des photons 290 Détecteur à semi-conducteur 292 Tableau comparatif 294 Applications 294

XX Capteurs chimiques 295

Généralités 295 Classification 295 Principe général 295 Principe de base d’un capteur 296 Capteurs électrochimiques 297 Arbre des méthodes de mesure 298

vii

XXI Capteurs chimiques en phase aqueuse 299 Potentiométrie 299 Principe 299 Type de membranes 300 Ions détectés 301 Potentiométrie miniature (ISFET) 302 Mesure de pH par potentiométrie 303 Notion de pH 303

Loi de Nernst 304 Sonde pH électrochimique 305 Sonde pH ISFET 308 Fibre optique 310

Conductivité 310 Principe 310 Type de cellules 311 Choix de la cellule 312 Conductimètre 313 Ampérométrie 314 Principe 314 Cellule de Clark 315

Type d’ions mesurés 316 Chambre d’injection 316


XXII Capteurs chimiques en phase gazeuse 319 Généralités 319 Ampérométrie à électrolyte liquide 322 À électrolyte solide 323

Potentiométrie ou pile 323 Ampérométrie 324

GasFET 325 Catalytique 326 Catharométrique 329 MOX (Metal Oxyde) 331 À onde de surface (SAW) 337 Microbalance (QCM) 342 Capacitif 344 Optique 346

Fibre optique 346 Détecteur à infrarouge 349

viii

Photoionisation 352 Paramagnétique 355

Principe 355 Magnétodynamique 356

Synthèse 360 Tableau comparatif 364 Applications 366

XXIII Capteurs d’humidité 367 Définitions 367 À variation d’impédance 370 Résistif 370

Capacitif 372 À conductivité thermique 375 À condensation 376 À oxyde métallique 378 Hygromètre électrolytique 379 Psychromètre 381 Synthèse 385 Tableau comparatif 387 Applications 388

XXIV Détecteurs de fumée, de flamme et d’incendie 389 À ionisation 389 Photoélectrique à diffusion 391 Photoélectrique à absorption 392 Détecteur de flamme 394 Détecteur thermo vélocimétrique 399 Critères de choix 400 Tableau comparatif 401 Applications 402

XXV Capteurs de vide 403 Le vide 406 Jauge Pirani 407 Jauge capacitive 409 Jauge à thermocouple 410 Jauge piézorésistive 412 Jauge à ionisation Penning (cathode froide) 413 Jauge à ionisation Bayard–Alpert (cathode chaude) 416 Tableau comparatif 419 Applications 420

ix

XXVI Capteurs biologiques 421

Généralités 421 Bio récepteurs 422 Définition et rôle 422

Catalyse (Métabolique) 423 Affinité 425 Matière vivante 426 Hybridation 426 Classification 427

Transducteurs 428 Association Bio récepteurs – Transducteurs 429 Exemples de capteurs 433

Capteur de taux de glucose 433 Capteurs d’ADN 435

Domaines et applications 437

Bibliographie 439 Ouvrages généraux 439

Ouvrages spécifiques : domaines physiques 441 Multi domaines 441 Thermique 441 Magnétique 442 Onde électromagnétique 443 Optique 443 Optoélectronique 444 Piézoélectricité 445 Mécanique 445 Vitesse d’un solide 446 Vitesse d’un fluide 446 Débit 446 Déformation 446 Force et couple 447 Pression 447 Voix humaine et électroacoustique 448 Accélération et chocs 448 Vibration 448 Radiation et rayonnement 449 Chimie 450 Humidité 450 Vide 451 Biologie et médecine 451 Nanotechnologie 452

x

Ouvrages spécifiques : grandeurs mesurées 455

Multi grandeurs 455 Composants 456 MEMS 456 Température 457 Magnétique 458 Courant 458 Antenne 459 Optoélectronique 460 Piézoélectrique 460 Position et déplacement 461 Proximité 461 Vitesse d’un solide 461 Vitesse d’un fluide 462 Débit 462 Déformation 463 Force 463 Couple 463 Pression 464 Microphone 464 Accélération et chocs 465 Vibration 465 Radiation et rayonnement 465 Chimique 466 Chimique en phase aqueuse 466 Chimique en phase gazeuse 467 Humidité 468 Vide 468 Biolologique 469

xi

1

I) CAPTEURS DE TEMPÉRATURE 1°) Thermométrie par résistance

RT = R0.F(T) où F caractérise le matériau et vaut 1 pour T = T0.

Métaux : n

ki 0

k = 0

F(T) = A .(T - T )

Ex Pt100 : Pour T < 0 °C, R(T) = R0 [1 + A.T + B.T2 + C.T3 (T - 100)]

Pour T 0 °C, R(T) = R0 [1 + A.T + B.T2]

R0 = 100, T0 = 0°C, A = 3.9083.10-3, B = - 5.775.10-7, C = - 4,183.10-12 (SI)

Thermistance CTP : F(T) = R0.[1 + A.(T – T0) + B.(T - T0)2] Ex KTY-81 : R0 = 1000 , T0 = 25°C, A = 7.874.10-1, B = 1.874.10-5 (SI)

Thermistance CTN :

0

-b 1 1β.

T T

0

TF(T) = .e

T

Ex K164/100 : R0 = 100, T0 = 300K, b = 0, = 2000K

Pt100 (Prosensor) KTY-81 (Philips) K164 (Siemens)

2

Comparaison

Type Pt100 KTY-81 K164/100

Gamme (°C) [-200, 400] [-55, 150] [-60, 180] S à 300K (/K) 0,4 7,9 -0,34

Sensibilités

3

2°) Thermométrie par thermocouple Découvert par hasard par Thomas Seebeck en 1821.

Effet Seebeck

U = SAB.(T – T0) = (SA – SB).(T – T0)

Tableau coefficient de Seebeck (µV/K)

AI > 0 M étal A

M étal B

M étal A

M étal B

VU > 0

TT0

TT0

Exemple

Exemple de fabrication

Nickel - Chrome

Nickel - Aluminium

625 C C25+

-12,2mV

4

Tableau récapitulatif des thermocouples standards

Type S

(µV/K) B 8 E 60 J 51 K 40 N 38 R 12 S 11 T 40

Tableau sensibilité thermocouple à 300K Exemple industriel (Gefran)

5

Caractéristiques thermocouples

Table thermocouple type K (µV)

7

3°) Thermométrie par semi-conducteurs

a) En tension

b) En courant

vdI1 I2

Vcc

Q1 Q2

R

Q1 Q2

Q4Q31Q32Q3n

IT

I I

R,

+

_

H H

19

10 3

1V = k .I.B = .I.B

q.n.e

q = 1,6.10

n = concentration des porteurs 10 cm (Si)

e = épaisseur

VEB1 = VEB2 ICQ1 = IC Q2 IT = 2.I VBE3 + R.I = VBE4 + R’.I

T TS S

I/n IV . Ln + R.I = V . Ln + R'.I

I I

TT T

V 2.k I = 2. . Ln(n) = .Ln(n).T I

R - R' q.(R- R')

Exemple : AD590 (Analog Devices) n = 8, R = 358 , R’ = 0 IT = 10-6 . T

Gamme = [-55, 150] °C S = 1µA/K

8

4°) Thermopile Dispositif thermoélectrique qui se compose de thermocouples raccordés en série. Il détecte la température d’un objet en absorbant le rayonnement infrarouge (IR) qui émet de surface de l’objet Très utilisé dans les applications de mesures de température sans contact et de systèmes de surveillance de la température.

4 4

T 0U .S .(T - T )

= émissivité IR de l’objet ST = sensibilité de la thermopile

Constitution Exemple industriel (Meas-Spec) Gammes = [ -100, 1000] °C en indirect [-40, 125] °C en contact direct U = qq mV à 25°C S = qq µV/K

Métal A

Métal B

VU > 0

TT0

Thermocouple

Métal A

Métal B

VU > 0T

T0

Thermopile

Absorbeur

Ray onnement thermique

9

5°) Thermométrie à quartz

La fréquence de résonance d’un quartz dépend de la température et sa coupe :

On peut obtenir du quartz qui suit la loi suivante :

f(T) = f(T0).[1 + .(T – T0) + .(T – T0)2]

Ex : T0 = 25°C, f(T0) = 262,144kHz, = 34,5.10-6 °C-1, = 18.10-9 °C-2

Courbe de réponse en température du quartz (ppm)

10

Principe de la mesure

Gamme = [-80, 250] C S = qq kHz/°C Précision = 0,02°C

6°) Thermométrie à onde de surface (SAW)

Résonateur par onde de surface dont la fréquence de résonance varie avec la température.

Gamme = [-50, 200] °C S = 1kHz/°C

Intérêt : - Consomme très peu d’énergie

- Utilisé en Wi-fi

OscillateurQuart zfosc C T

nFréquencemètre

11

7°) Résonance quadripolaire nucléaire (RQN)

Résonance magnétique nucléaire (RMN) avec champ électrique :

Les noyaux atomiques soumis à un champ électromagnétique absorbent l'énergie puis la restituent (phénomène de relaxation). Cette énergie restituée correspond à une fréquence bien précise :

E = h.f où h = 6,63.10-34 J.s = constante de Planck

La température modifie cette fréquence.

Exemple : Cristal de chlorate de potassium

Gamme = [90, 400] K S = 5kHz/K Précision = 10-3

8°) Pyrométrie ou Thermométrie Infrarouge

a) Principe

Utilise une conversion luminance d’un corps 4. .TL =

en température à

l’intérieur d’une cellule de mesure, température mesurée au moyen d’un thermocouple, d’une thermistance ou d’un bolomètre.

Appelé parfois ‘thermomètre laser’ quand un laser est intégré pour aider à la visée.

Gamme = [-100, 5000] °C Précision = 1°C Intérêt : mesure à distance, sans contact

12

b) Exemples industriels

Portable (Electronic Measuring Instruments)

Fixe (Optron)

14

10°) Applications

Méthode Applications & Domaines

Résistance Pt Régulation chauffage

Résistance CTP Thermostat

Résistance CTN Oscillateur sinus

Thermocouple Four

Semi-conducteur Automobile - Médical

Thermopile Milieu hostile et dangereux

Quartz Laboratoire

SAW Télémesure

RQN Laboratoire

Pyromètre Milieu hostile et dangereux

15

II) CAPTEURS MAGNÉTIQUES

1°) Champ magnétique : origines, valeurs, capteurs

2°) Méthodes de mesure

a) Organigramme

16

b) Différence entre la mesure de champ et de flux magnétique

3°) À bobine

a) Principe Le champ magnétique est converti au moyen d’une bobine en tension.

e

Ne fonctionne pas pour des champs en régime continu !!!

H

0 rdH

e(t) = - . .n.S. .cos( )dt

n = nombre de spireS = surface d'une spire

= angle entre le champ H et la perpendiculaire à la surface

17

b) En pratique

Afin d’améliorer la sensibilité, la bobine peut être réalisée autour d’un support magnétique de type ferrite :

c) Exemple industriel (Brockhaus)

4°) Fluxgate

a) Principe

Le capteur fluxgate le plus simple se compose d’un noyau fait d’un matériau magnétique doux, le plus souvent un alliage ferromagnétique, et d’au moins deux bobinages : un d’excitation et un de détection. Le principe de fonctionnement du capteur fluxgate est relativement simple et exploite à la fois le phénomène de saturation et la symétrie de la courbe d’aimantation du noyau magnétique.

Gamme = [0,1µT, 100µT] S = 10mV/µT = ±0,1%

18

Il est fondé sur la modulation temporelle de la perméabilité µ d’un matériau magnétique.

b) Chronogrammes

H0 kg.(t1 – t2)

detn dHV = . .g(H)S dt

g(H) est la fonction flux gating(vanne de flux)

19

c) Conditionneur

d) Mode différentiel

Pour améliorer la linéarité le capteur, on utilise une structure différentielle :

e) Différents types

20

f) Exemples industriels 1 Axes (Autonix)

3 axes (Wuntronic)

5°) Micro fluxgate

C’est un fluxgate intégré sur du silicium.

a) Coupe

Gamme = [1nT, 100µT] S = 3,3mV/µT = ±1%

Gamme = [10µG, 1G] S = ±4V/G = ±0,1%

21

b) Vue de dessus

c) Exemple industriel : circuit intégré CMOS (CEA/LETI)

Gamme = [50nT, 60µT] S = 3760V/T = ±5nT

22

6°) À effet Hall (1855 – 1938)

a) Principe de l’effet Hall

Phénomène de Hall

Principe de fonctionnement

H HRem : V = k .B.cos( ) avec angle antre le champ B et la surface

Fonctionne aussi bien avec des champs continus ou variables.

H H H

19

10 3

I I.BV = k .B = .B = R .q.n.e e

q = 1,6.10 C

n = concentration des porteurs 10 cm (Si)e = épaisseur

23

b) Exemples industriels Capteur seul (Honeywell)

Capteur linéarisé (F.W. BELL)

Capteur linéarisé et programmable (Micnonas)

Synoptique général

Gamme = [10µG, 10kG] S = ±60mV/kG = ±1%

Gamme = [0, 50mT] S = 58mV/mT = ±0,5%

24

Synoptique du traitement numérique

Gamme = [0, 150mT] SProg = 0,1V/mT à 10V/mT = ±0,1%

25

7°) À effet magnétorésistif

a) Principe d’une magnétorésistance

La résistance dépend du champ magnétique. Elle est utilisée en général avec un aimant ou un matériau magnétique.

Il en existe 5 grandes familles :

- AMR = Anisotropic magnétorésistance - GMR = Giant magnétorésistance - TMR = Tunnel magnétorésistance - CMR = Colossal magnétorésistance - EMR = Extraordinary magnétorésistance

Exemple pour une GMR

26

b) Capteur en pont Quatre magnétorésistances sont montées en pont de Wheatstone :

Principe

Caractéristique et linéarisation

27

c) Exemples industriels 1 axe AMR (Advanced MicroSensors)

2 axes GMR (Philips)

Le circuit intégré est constitué de 2 ponts : un par axe. Permet la mesure d’un champ planaire.

Gamme = [0, 6G] S = 1mV/V/G = ±0,5%

Gamme = [0, 0,2kA/m] S = 16mV/V/kA/m = ±1%

28

8°) SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)

a) Supraconductivité

La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'expulsion du champ magnétique (effet Meissner) à l'intérieur de certains matériaux dits supraconducteurs. La supraconductivité conventionnelle se manifeste à des températures très basses, proches du zéro absolu (-273,15 °C). Dans les supraconducteurs conventionnels, des interactions complexes se produisent entre les atomes et les électrons libres et conduisent à l'apparition de paires liées d'électrons, appelées paires de Cooper. Il existe des matériaux « supraconducteurs non conventionnels » qui présentent des propriétés supraconductrices à des températures bien plus élevées que les supraconducteurs conventionnels, jusqu'à des températures de l'ordre de 133 K, soit -140 °C.

b) Effet Josephson

Il se manifeste par l'apparition d'un courant entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche faite d'un matériau isolant ou métallique non-supraconducteur en dessous d’une température critique TC (qq K). c) Jonction Josephson

Principe Caractéristique

Un courant IC existe alors que V = 0 !!!

29

d) SQUID

Le squid est le détecteur de champ magnétique le plus sensible qui existe. Il convertit le flux en tension en combinant deux phénomènes physiques :

- la quantification de flux dans un anneau supraconducteur

34

150 19

h 6,63.10 = flux quantum = = 2.10 weber2.q 2.1,6.10

- l’effet Josephson.

Il existe deux types de squid :

- le squid DC = le plus précis - le squid RF = le plus courant

SQUID DC

R1 R2 = R, L1 L2 = L, C1 C2 = C

Principe et modèle électrique

La boucle est placée dans une enceinte à très basses températures. Deux jonctions Josephson sont placées en 1 et 2.

o = 0

On injecte I qui se divise en 2, I1 =I2 = I/2 avec V = 0 tant qu’on n’a pas attend le courant critique IC des jonctions soit Ilim = 2.IC.

30

o ≠ 0

Il se crée un courant d’écrantage (screening current) Ié qui va aller vers le bas dans la jonction 1 et vers le haut pour la 2 :

I1 = I/2 + Ié

I2 = I/2 - Ié

Une tension V 0 apparaît dès que I1 > IC. Si on inverse le sens du champ, Ié change aussi de sens donc pour I2 = I/2 + Ié > IC. On montre que :

RV = . L

SQUID RF

Il se compose aussi d'une boucle, mais d'une seule jonction Josephson.

0V = - R. sin(2. . )

V

I

Ié

32

Tableau comparatif

33

10°) Applications

Méthode Domaines & Applications

Capt

eur

de c

ham

p

Hall capteurs de position, champs forts

Résistance AMR Capteurs de courant, boussoles

Résistance GMR Têtes de lecture, boussoles

Résistance TMR Têtes de lecture, mémoires

Résistance CMR - EMR Têtes de lecture, boussoles

Magnéto-diode (MBD) Mémoires

Magnéto-optique Imagerie

Magnéto-transistor (MBT)

Mémoires

Résonance magnéto-nucléaire (RMN)

Référence de champ, IRM, archéologie

Capt

eur

de fl

ux

Bobine Antennes, IRM haut champ

Fluxgate Magnétométrie terrestre

SQUID bas Tc MEG, IRM très bas champ

SQUID haut Tc Imagerie

Capteurs mixtes MCG, MEG, IRM

Magnéto atomique MCG, MEG, IRM

Pompe optique Géophysique

IRM : Imagerie par résonance magnétique MCG = Magnétocardiographie MEG = Magnétoencéphalographie

34

III) CAPTEURS DE COURANT 1°) Résistance shunt

a) Principe


Ultra précision (Labs)

Très fort courant (Imesys)

i

v = R.i

Rs

Imax = 10A V = 100mV à Imax

fc = 500Hz = ±0,005%

Imax = 6000A V = 60mV à Imax

fc = 60Hz = ±1%

35

HF (Newtons4th)

2°) À bobine sur tore magnétique

a) Principe


(Datatronic)

1 2

2 1

21 2

2

n I =

n I I

n = 1 I = n

Imax = 2,5A V = 100mV à Imax

fc = 1MHz = ±0,1%

Imax = 25A

2

1

n 1 =

n 1000

f= 1Hz à 40kHz = ±0,3%

36

(TRENCH)

3°) À bobine de Rogowski (1881 – 1947)

a) Principe

b) Électronique de conditionnement

Pour récupérer le courant, il suffit d'intégrer :

m 0diU = .n.A.dt

n = nombre de spires

A = Surface du la bobine

Imax = 10kA

2

1

n 1 =

n 100000

f = 50 ou 60Hz = ±0,15%

37

c) Limites utilisation

d) Exemple industriel (Rocoil)

Imax = 100A

S = 13mV/A

f = 40Hz à 5kHz = ±0,35%

38

e) Technologie PRIME (LEM)

Principe

La position spatiale des bobines a été étudiée afin de rendre la mesure robuste. On entend par là que, pour tout conducteur placé à l’intérieur du capteur, la mesure est indépendante de la position du conducteur et que l’influence d’un conducteur placé à l’extérieur du capteur est négligeable.

Exemple industriel

Imax = 10A

S = 1V/A

f = 1Hz à 10kHz < ±1%

39

4°) À effet Hall Le champ magnétique émis par le courant est récupéré au moyen d'un tore magnétique dans lequel est placée une cellule de Hall pour le transformer en tension.

a) Capteur en boucle ouverte

Avantage : petite taille

b) Capteur en boucle fermée Le principe est de créer un champ HS grâce au courant Is de manière à compenser le champ Hm créé par Im. Le champ mesuré par la cellule de Hall est donc nulle. C’est l’erreur de l’asservissement :

Avantage : précision

40

c) Capteur de type ETA

On soustrait la tension de Hall correspondant au champ Hm à une tension produite par le courant récupéré par la bobine du tore.

Avantage : fonctionne avec une seule tension d’alim, faible.

d) Capteur de type Closed Loop C

Utilise une double compensation (double boucle)

Avantage : très grande linéarité et précision.

41

e) Exemples industriels

Boucle ouverte (Honeywell)

Boucle fermée (Honeywell)

ETA (LEM)

Imax = 900A

S = 45mV/A

f = DC à 50kHz = ±1%

Imax = 950A

S = 2,3mV/A pour 1 tour

f = DC à 100kHz = ±0,2%

Imax = 100A

S = 25mV/A

f = DC à 100kHz < ±1%

42

Closed Loop C Type (LEM)

5°) À effet magnétorésistif

a) Principe

Principe du capteur

Synoptique

Imax = 50A

S = 100mV/A

f = DC à 50kHz < ±0,1%

43

b) Exemple industriel (Sensitec)

Imax = 150A S = 16,7mV/A

f = DC à 400kHz = ±0,8%

6°) À fluxgate

a) Principe du capteur Il reprend le principe du capteur à effet Hall dans lequel la cellule de Hall est remplacée par un fluxgate. C’est un transformateur de courant qui fonctionne aussi en DC !

44

b) Différents types

c) Conditionneur

d) Exemple industriel (PREMO)

Imax = 700A

S = 100mA/A

f = DC à 100kHz < ±0,01%

46

8°) Applications


Shunt Moteur électrique

Bobine à tore Courant secteur, différentiel

Bobine Rogowski Haute température

Hall BO Détecteur de défaut de terre

Hall BF Asservissement de courant

Hall ETA Onduleur

Hall C type Haute tension

Magnétorésistance Circuit imprimé et intégré

Fluxgate standard Panneau solaire

Fluxgate à 2 noyaux Voiture électrique

Fluxgate à 3 noyaux Asservissement de courant

Fluxgate à 2 noyaux sans transformateur Hacheur

47

IV) CAPTEURS D’ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES 1°) Principe

électrique électromagnétiqueEnergie Energie

2°) Paramètres d’une antenne dans l’espace (vide)

a) Impédance

L C Rr R p

ChaleurOnde

b) Bande passante

Intervalle de fréquence pour lequel la puissance est supérieure à maxP2

soit -3dB en tension (ou courant).

c) Polarisation

Orientation du champ E

dans la direction du rayonnement maximum. Il existe :

Polarisation horizontale Polarisation verticale Polarisation circulaire Polarisation elliptique Polarisation croisée

Rr = résistance de rayonnement Puissance électromagnétique Rp = résistance de perte Perte électrique

Coefficient d’efficacité = r

r p

RR + R

48

d) Gain

antenne

source isotopique

rayonnée

rayonnée

P G =

P

Source isotopique = antenne sans perte idéale rayonnant uniformément dans toutes les directions. Un dipôle élémentaire (/2) est souvent pris comme source référence.

e) Diagramme de rayonnement

C’est la mesure, à une distance donnée et constante, de la puissance rayonnée. On obtient donc une image 3D.

49

En pratique on normalise en divisant par la puissance rayonnée maximale mesurée et l’on trace 2 diagrammes de rayonnement en coordonnées polaires :

Dans le plan horizontal Dans le plan vertical

3°) Antennes boucles

a) Petite boucle (Magnetic Loop)

Accordée au moyen d’un condensateur variable

H

i

50

Exemples

On peut augmenter la sensibilité en faisant plusieurs tours (spires) et en utilisant un noyau magnétique (ferrite rod). Le matériau magnétique permet de concentrer le champ magnétique sur les spires.

Exemple : Antenne de récepteur PO-GO

51

b) Grande boucle

4°) Dipôle élémentaire

a) Principe

b) Impédance

Z = Rr + jXa

En théorie : L = /2 Z = 73 D’où câble TV d’impédance caractéristique de 75

e

d

L

Longueur de la boucle Polarisation donnée par le plan

réalisé par le fil

En théorie : d 0 e 0 Problèmes mécaniques !!!!

52

Influence du diamètre du brin

Influence du sol

53

c) Bande passante

Augmente quand d/ augmente

d) Polarisation

Le champ électrique est parallèle à l’antenne dans sa longueur.

e) Gain

0 dB par définition

f) Diagramme de rayonnement

Dipôle théorique

Influence du diamètre du brin

54

5°) Antenne Marconi (fouet)

On peut allonger (raccourcir) artificiellement l’antenne en rajoutant en série une inductance (un condensateur).

Application à l’antenne pour voiture :

fporteuse moyenne FM = 100Mhz moyen = 3m brin de longueur 0,75m

Pour recevoir le PO et GO une self est mise en série. 6°) Dipôle replié - Antenne trombone

/4

Conducteur plan de grandes dimensions par rapport à

Brin image

Bidirectionnelle comme le dipôle Antenne ruban FM avec ligne filaire 300 : forme un T.

55

7°) Antennes Yagi Le gain est augmenté au moyen de directeurs et réflecteurs.

Directeurs : pour concentrer le champ vers l’élément capteur (dipôle ou

trombone)

Réflecteur : pour rendre l’antenne unidirectionnelle et renvoyer le champ

vers l’élément capteur.

Réalisation pratique de réflecteurs au moyen de grilles métalliques :

Sens de propagation

Sens de propagation

56

Pour Bande FM G = 12dB Pour Bande UHF G = 12 dB G = 18dB G = 24dB

57

Wi-Fi

58

GSM 3G

8°) Paraboles

a) À foyer primaire ou centré

Soit = diamètre de la parabole

Il faut > 10. 2

G 3.λ

A.N. : en UHF fmin = 470MHz soit max = 6,4m !!!! Antenne très directive Application : Radar & Astronomie

59

b) Cassegrain

Réémetteur TV

60

c) À foyer décalé (offset antenna)

TV satellite

61

d) Grégorien (Gregory antenna)

La plus utilisée en réception TV Satellite.

62

9°) Antennes Patch Antenne circuit imprimé microstrip

TV TNT

Wi-Fi

63

10°) Antenne GSM

Séparée

Moulée dans le coque

64

65

11°) Autres antennes

Rhombique ou losange : 10 à 200Mhz

Rideau ou colinéaire : très directive

Hélicoïdale : VHF

Log-périodique et spirale équidistante

Quad : Wi-Fi, TNT, ISM

Cornet : Bande S

Dièdre : > 1,2GHz

Tout un monde à inventer …

66

Mont Aigual (Lozère & Gard)

67

12°) Tableau comparatif

13°) Applications


Boucle Détecteur de métaux

Dipôle Mesure

Marconi Automobile

Trombone Radio FM

Yagi TV VHF & UHF

Parabole TV satellite, Astrophysique

Patch GPS, Wi-Fi, UHF- TNT

GSM Téléphone portable

Méthode Gain (dB)

Impédance ()

Fréquence (Hz)

+ / -

Boucle [0 , 10] [0, 2000] [100k , 3G] Insensible au

champ électrique

Dipôle 0 75 [50M , 10G] Antenne de référence

Marconi 0 75 [50M , 10G] Plus courte

Trombone 0 300 [50M , 10G] Solidité

Yagi [3 , 30] 50 [50M , 10G] Gain / Prise au

vent

Parabole [5, 70] [10, 100] [1, 100] G Gain / Prise au

vent

Patch 6 à 21 pour 1 à

16 cellules [100, 350] [0.1, 10] G Miniature

GSM [2, 5] 50 900, 1800, 2600 M Courte / Gain

68

V) CAPTEURS OPTIQUES

1°) À semi-conducteur

a) Photorésistance Principe

Les photons vont modifier résistivité du matériau et donc la résistance du composant.

Principe Symbole Caractéristiques

R k.E avec [0.5, 1]

Courbe R = f(E)

69

Spectres de réponse

Exemple industriel (Silonex)

b) Photodiode Principe

Les photons libèrent des électrons dans une jonction polarisée en inverse. Du fait que la taille d’un électron est infiniment plus petite que celle de l’atome, la probabilité qu’un photon heurte un électron et lui transmette son énergie est statistiquement extrêmement faible Courant crée lui-même très faible.

R = 10k pour E = 10Lx tr = 50ms = 5%

70

Interaction Photon - Électron

Constitution Symbole Il existe un courant d’obscurité (Dark Current) qui correspond au courant inverse d’une diode standard.

Exemple industriel (Hamamatsu)

71

c) Phototransistor Principe

Le courant de base du transistor provient d’une photodiode. Le photocourant est ainsi amplifié du facteur du transistor. La grandeur de commande du transistor devient l’éclairement. Le phototransistor s’utilise comme un transistor bipolaire classique, aussi bien en régime linéaire qu’en commutation.

Exemple industriel (Optek)

72

d) Caméra CCD (image)

Principe

Elle est constituée d’une matrice l x p de nano-capteurs optiques où l = nombre de lignes et p = nombre de pixels par ligne.

Les informations sont lues grâce à deux registres à décalage analogique, colonne par colonne.

73

Pour obtenir une image en couleur, il faut 3 caméras CCD munies chacune d’un filtre rouge ou vert ou bleu.

Filtre colonne Filtre de Bayer Filtre de Rockwell

Exemples industriels

o Linéaire (Fairchild)

p = 2048 pixels S = 10µV/photon Vitesse = 80Mpixel/s

74

o Matrice (Kodak)

l x p = 6576 x 4384 pixels S = 22µV/photon Vitesse = 40Mpixel/s

75

2°) À vide : Photomultiplicateur

a) Principe

Les photons incidents traversent une photocathode, constituée d'une fenêtre de verre, quartz ou borosilicate, sur l'intérieur de laquelle est apposée une fine couche de métal ou de semi-conducteur. Lorsqu'un photon atteint le semi-conducteur, il excite un électron de la bande de valence, qui est alors diffusé vers la surface du semi-conducteur du fait de la différence de potentiel avec l'extérieur.

Si l'énergie de l'électron est supérieure au niveau énergétique du vide à l'intérieur du PM, alors il est éjecté du semi-conducteur, et appelé « photoélectron ». La probabilité pour un photon incident de produire un photoélectron est définie comme l'efficacité quantique, et dépend entre autres des matériaux utilisés pour la fenêtre et le semi-conducteur, ainsi que de la longueur d'onde du photon incident.

Les photoélectrons quittent la photocathode et sont ensuite focalisés par un jeu d'électrodes vers un électro multiplicateur, constitué d'une série de dynodes dont le but est de transformer le photoélectron initial en un paquet d'électrons suffisant pour constituer un courant éléctrique mesurable.

76

Chaque dynode étant maintenue à une valeur de potentiel plus importante que la précédente, la différence de potentiel entre la dynode et la dynode suivante accélère les électrons ainsi émis, qui acquièrent suffisamment d'énergie pour générer un certain nombre d'électrons secondaires sur la dynode suivante. Il se produit donc, de dynode en dynode, un effet d'avalanche. La position et la forme des dynodes sont optimisées de sorte que le temps de transit des électrons soit minimisé. Une anode collecte les électrons secondaires émis par la dernière dynode à partir desquels elle génère un courant électrique, recueilli en sortie du photomultiplicateur.

Influence du nombre de dynodes

b) Exemple industriel

Tube seul (Hamamatsu)

= 750nm S = 20µA/Lm tr = 200ps

77

Vision nocturne (ITT Defense)

Emin = 1mLx à 500m S = 1600µA/Lm tr = 1ms

79

4°) Applications


Photorésistance Aquarium (Jour - Nuit)

Photodiode Luxmètre

Photodiode à avalanche

Fibre optique communication

Phototransistor Opto coupleur

CCD linéaire Lecteur code-barres

CCD matrice Photo / Caméra

Photomultiplicateur Vision nocturne - Astrophysique

80

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81

VI) CAPTEURS DE POSITION ET DÉPLACEMENT 1°) Potentiomètres La tension issue du montage potentiométrique est l'image linéaire du déplacement rectiligne (translation) ou déplacement angulaire (rotation).

a) Linéaire : déplacement rectiligne

Potentiomètre 10k (APLS) Potentiomètre 1000 (TME) l = 5mm, nl = 2% l = 500mm, nl = 0,05%

b) Rotatif : déplacement angulaire

Potentiomètre 10k - = 30mm ( MCB) Potentiomètre 500 - = 11cm (CELESCO)

θ = 350°, nl = 1% θ = 180°, nl = 0,15%

82

2°) Inductif à réluctance variable

a) Simple

2

0 0

0

0 0

2. .N . SLS = -

x lN = nb de spires, S = section du noyau, l = longueur moyenne du noyau

Avantage : mesure sans contact Nécessite un conditionneur (oscillateur)

83

b) Différentiel

c) Exemple industriel (µEpsilon)

xmax = 9mm S = 500µH/mm nl = ±0,1%

84

3°) Inductif à courant de Foucault (1819 – 1868) Appelé aussi Eddy current.

a) Principe

La cible métallique modifie le champ magnétique d'une bobine en absorbant de l'énergie par courant de Foucault, ce qui entraîne une variation de l'amplitude du signal. On récupère cette variation qui l’image de la distance ou du déplacement.

Principe courant de Foucault

Influence de la distance sur le signal

85

b) Conditionneurs

Par démodulation

Par mesure de phase

86

Exemple de signal récupéré

c) Exemple d’utilisations

vibration, déplacement, distance, déformation, …

d) Exemple industriel (µEpsilon)

= 20mm, xmax = 4mm S > 50mV/µm = ±20nm

87

4°) Transformateur différentiel linéaire (LVDT) C’est un transformateur dont le circuit magnétique se déplace.

a) Principe et constitution

Court Long

Coupe

Câblage

88

b) Signaux

sp p S 1 2 p

max p

LxR << .L u (t) = u (t) - u (t)= . .U .sin( .t)

x L

89

c) Conditionneur On récupère une tension signée proportionnelle à la position centrale au moyen d’une détection synchrone (voir cours Modulation d’Amplitude).

Électronique de conditionnement

d) Exemple industriel (Solartron Metrology)

= 9,5mm xmax = ±6mm S = 80mV/V/mm nl = ±15µm

90

5°) Resolver (RVDT)

a) Principe

Coupes (2 pôles)

b) Schéma électrique équivalent

c) Position rotor-stator

91

sin m cos mu (t) = U.sin( .t).sin(p. ) et u (t) = U.sin( .t).cos(p. )p = nb paires de pôles

Une détection synchrone permet de récupérer une tension proportionnelle à m.

d) Exemple industriel (Moog)

6°) Inductosyn linéaire

a) Principe

= 19mm max = ±60° S = 61mV/° = ±0,2°

92

b) Schéma électrique

sin cosp p

2. .x 2. .xu (t) = U.sin( .t).sin( ) et u (t) = U.sin( .t).cos( )

x x

Une détection synchrone permet de récupérer une tension proportionnelle à x. Remarque : le couplage entre la règle et le curseur étant très faible (pas de matériau magnétique comme dans le resolver) il faut amplifier fortement Usin et Ucos.

c) Exemple industriel (SME)

xmax = 3m S = 2,5µV/µm = ±1µm

93

7°) Inductosyn angulaire

a) Principe et coupe

b) Calcul

msin

p

mcos

p

p

sin m cos m

2. .u (t) = U.sin( .t).sin( )

2. .u (t) = U.sin( .t).cos( )

2.Or = , p [2, 2048]

p u (t) = U.sin( .t).sin(p. ) et u (t) = U.sin( .t).cos(p. )

Une détection synchrone permet de récupérer une tension proportionnelle à m. Ici aussi, le couplage est faible et donc Usin et Ucos doivent être amplifiés. Intérêt des inductosyns : fonctionne dans des environnements sévères

94

c) Exemple industriel (CTI)

8°) À effet Hall

a) Principe de la mesure d’un angle

Un aimant est entraîné en rotation. En fonction de l’angle de rotation la tension de Hall varie.

= 40mm max = ±180° S = 2mV/° = ±0,5” = ±0,14m

95

b) Exemple capteur seul (BAUMER)

c) Capteur circuit intégré (AMS)

Principe

Synoptique

= 87mm, [20, 360]° S = 1.5mV/° = ±0,025%

96

9°) Capacitifs Il s'agit de condensateurs plans ou de condensateurs cylindriques où :

- l'une des armatures subit le déplacement

- La nature de l'isolant change entraînant une variation de la permittivité

=> variation de la capacité

a) Simple

Plan : .AC =

D

b) Double (différentiel)

Plan

A2 et A3 fixes, A1 mobile Nécessite un conditionneur

Cylindrique : 2

1

2. . .LC = rLn( )r

Cylindrique

97

c) Sonde capacitive Principe de base

Utilité d’un anneau de garde

Sans : lignes de champ déviées

Avec : lignes de champ uniforme

.AC = D

98

Coupe et modèle électrique

d) Exemples d’applications industrielles

99

e) Exemple industriel (E2J)

10°) Optique Basés sur des ensembles émetteurs-récepteurs optiques fonctionnants en transmission (paires de LED + Phototransistor)

a) Codeur absolu linéaire

Principe

o Exemple industriel (Heidenhain)

= 14mm, Dmax = 2mm S = 10fF/µm = ±1,5nm

xmax = 4240mm = ±1µm

100

b) Codeur absolu angulaire

Principe

Exemple : 12 bits code Gray

Disque

Binaire naturel Gray

Codes

101

Exemple industriel (Fagor)

c) Codeur incrémental linéaire

Principe

Exemple de règles (Heidenhain)

= 90mm, max = ±180° Nb bits = 19 = ±2,5’’ = ±7m°

102

Exemple industriel (Heidenhain)

d) Codeur incrémental angulaire

Disque

xmax = 3040mm = ±3µm

103

Chronogrammes

Électronique de décodage

Les codeurs incrémentaux linéaire ou angulaire nécessitent une électronique de comptage et une position de référence. Le sens de déplacement ou de rotation est donné par la position du front montant de B par rapport à celui de A.

104

Exemple industriel (Fagor)

Compteur

D

ClkQ

nvers controleur ou CNAA

B

Clk

Up/Down

Reset

Sens de rotation

INDX (Top Zéro)

01

= 200mm max = ±180° Nb impulsion par tours = 360 000 = ±2’’ = ±5,5m°

105

11°) Magnétorésistif

Il est utilisé en général avec un aimant ou un matériau magnétique.

a) Double (Chen Yang)

Principe

Modèle électrique

Les résistances R1-2 et R2-3 varient en sens inverse. L’utilisation de 2 résistances permet de linéariser la réponse du capteur en faisant R1-2 – R2-3. Conditionneur

106

Évolution des résistances en fonction de la distance (l = 10mm)

107

b) Codeur incrémental linéaire Principe

On utilise une barre avec aimantation alternée et on dispose 2 capteurs comme pour un codeur linéaire incrémental optique mais les signaux récupérés sont quasi sinusoïdaux.

Signaux

108

Exemple industriel (ASM)

c) Codeur incrémental angulaire

Principe d’une roue magnétique

Exemple industriel (ASM)

xmax = 50m Distance entre 2 pôles = 1mm = ±80µm/m

= 30mm max = ±180° Nb impulsion par tours = 102400 nl = ±0,1%

109

12°) À ultrasons

a) Principe

Basé sur la mesure du temps d’aller-retour d’une onde ultrasonore se propageant dans l’air et se réfléchissant sur une cible.

b) Exemple industriel (Hexamite)

v. T.cos( )d = 2

f0 = 40kHz ±5kHz S = 10mV/Pa

110

c) Influence de la température

La vitesse du son dans l’air dépend de la température :

v = 331,4. 1+ m/s avec en °C273

Pour des températures au voisinage de 0°C la loi de dépendance devient quasi linéaire :

v 331,4.(1+ 0,607. ) m/s avec en °C

111

d) Compensation de la température Il peut donc être nécessaire de corriger l’influence de la température pour annuler l’erreur due à cette grandeur d’influence.

Synoptique avec

Remarque : la vitesse du son dépend aussi de l’altitude et du taux d’humidité !!! 13°) Télémètre laser

a) Par mesure du temps de vol

Même principe que la mesure par ultrason, on calcule la distance à partir de la mesure du temps de vol (aller ou retour) parcouru par le rayon laser soit

v.τd =

2.

Intérêt : la vitesse de la lumière dans l’air est indépendante de la température, pression, humidité, …

E

R

Electronique de Traitement

Conditionneur + CAN

Capteur

µC

112

b) Par déphasage

On utilise une technique de modulation d’amplitude de la source d’émission

La puissance lumineuse d’émission vaut : PE = P0.[1 + m.sin(2.π.fm.t)] où fm est la fréquence modulante. Le signal revient au récepteur au bout d’un temps = z/c. La puissance reçue vaut donc PR = a.P0.[1 + m.sin(2.π.fm.(t – 2.)] où a est l’atténuation du signal lumineux. PR = a.P0.[1 + m.sin(2.π.fm.t - 4.π.fm. z/c)]

On voit donc apparaître un déphasage = 4.π.fm. Z/c. Le bloc de traitement calcule directement et en déduit :

m

cz = ( + 2. .n).

4. .f

Si dépasse 2.π il y a ambiguïté. D'autre part, on utilise souvent plusieurs fréquences avec un algorithme de recherche automatique

113

c) Par triangularisation

bz = f. 1 + .sin( )

d) Par modulation linéaire de fréquence (FMCW)

On utilise une technique de modulation de fréquence (signal triangulaire) afin d’améliorer la précision.

Principe

114

e) Comparaison des méthodes

f) Exemples industriels

Capteur laser par triangularisation (Keyence)

o 1D

d = 8mm = ±0,2µm

115

o 2D

Télémètre laser par temps de vol

o Golf (Nikon)

d [5, 500] m = ±0,2m

d = 80mm = ±0,1µm

116

o Militaire (Newcon)

d [60, 25 000] m = ±5m

118


120

15°) Applications

a) Linéaire


Potentiomètre Petit asservissement

Réluctance variable Environnement poussière, eau, fumée

Courant de Foucault Environnement poussière, eau, fumée

LVDT Asservissement de haute précision

Inductosyn Machine outil

Capacitif Mesure d’épaisseur (CD, DVD, film plastique, …)

Sonde capacitive Chaîne de fabrication

Optique absolu Asservissement de position

Optique incrémental Asservissement de position

Magnétorésistance Petit asservissement

Règle magnétique Machine outil

Ultrason Télémètre - Robotique

Laser Control de pièce

Télémètre laser Télémétrie longue distance

121

b) Angulaire


Potentiomètre Petit asservissement

Resolver RVDT Volet avion

Inductosyn Antenne radar

Effet Hall Petit asservissement - CI

Capacitif Petit asservissement

Optique absolu Asservissement de position

Optique incrémental Asservissement de position

Bague magnétique Machine outil

Gyroscope iPhone

122

VII) CAPTEURS DE PROXIMITÉ 1°) Interrupteurs

a) Interrupteur à action mécanique

Utilisé en détection de fin de course, butée, came, cible. Existe en version simple, inverseuse, double, multi pôles … Nombre de manœuvre > 1 000 000

Rectiligne Angulaire

Diverses sortes

123

b) Interrupteur à lame souple (ILS) – Reed switch

Principe Interrupteur commandé par un champ magnétique (aimant)

Deux modes de commande

Exemples Industriels

Ampoule (Celduc)

Complet (Fargo)

ddétection max = 10mm à 5mT Ron < 0,1 Imax = 3A tr = 0,5ms

ddétection max = 5mm à 3mT Ron < 0,05 Imax = 0,5A tr = 0,1ms

124

Circuits de protection

Existe en version inverseur et en version SHF ( 7GHz) 2°) Inductif à courant de Foucault (Eddy-Current)

a) Principe

La cible métallique modifie le champ magnétique d'une bobine en absorbant de l'énergie par courant de Foucault, ce qui entraîne une variation de l'amplitude du signal. On détecte donc cette variation d’amplitude au moyen d’un comparateur.

b) Coupe du capteur

125

c) Fonctionnement

d) Portée

126

e) Influence du type de cible

f) Exemple industriel (BR Braun)

= 20mm ddétection max = 10mm tr = 1,5ms

127

g) Exemples d’applications industrielles déplacement, vibration, alignement, tri, …

128

3°) À effet Hall

a) Synoptique du capteur complet

b) Modes d’utilisation

c) Exemples d’applications industrielles

129

d) Exemple industriel (Chen Yang)

4°) Magnéto résistif

a) Principe

Même principe que pour les capteurs de position et déplacement à magnétorésistance, mais le signal de sortie est envoyé à un comparateur - trigger comme pour les capteurs à courant de Foucault ou capacitif. b) Exemple industriel (IFM)

5°) Capacitif

a) Principe

= 18mm ddétection max = 5mm à 0,8mT fswicth max = 5kHz

ddétection max = 20mm à 200Gauss Sortie open collector Imax = 200mA fswitch max = 50kHz

130

b) Exemples d’applications industrielles

c) Exemple industriel (EGE)

= 30mm ddétection max = 25mm = Sn fswicth max = 10Hz

Influence de la cible

131

6°) À Ultrasons

a) Principe

Même principe que pour les capteurs de position et déplacement à ultrason mais le signal de sortie est envoyé à un comparateur – trigger.

b) Exemple industriel (Truck)

°) Optique

a) Principe et synoptique général

Basé sur l’envoi et la réception de la lumière

f0sc = 224kHz ddétection max = 3m tr = 45ms

132

b) Différents types

Type barrage (barrière)

Type proximité (réflexion directe)

Type réflex

133

c) Exemples industriels

LED (Frago)

Laser rouge (RICO)

ddétection max = 1m fswicth max = 400Hz

ddétection max = 25m fswicth max = 1kHz

135

9°) Applications


Interrupteur Fin de course machine-outil

Interrupteur ILS Commande isolée

Courant de Foucault Détection de pièce métallique, centrage

Effet Hall Présence de pièces, sécurité

Magnétorésistif Industrie chimique

Capacitif Industrie alimentaire

Ultrason Présence objet, alarme

Optique Sécurité, détection d’intrus

136


137

VIII) CAPTEURS ET DÉTECTEURS DE NIVEAU 1°) Capteur conductif

a) Principe de mesure en continu

On mesure la résistance du liquide au moyen d’électrode métallique. Cette technique fonctionne pour des liquides ayant une conductivité supérieure à 5µS/cm.

138


Un niveau (Hauser)

Multiniveau (Nivelco)

hmax = 1m Smax = 10/cm (eau) = ±1% hmin = 50cm hmax = 150cm Smax = 10/cm (eau) = ±0,5%

139

2°) Capteur capacitif

a) Principe

b) Exemple industriel (Airindex)

D

d

liquide (l)

gaz (g)

hg

hl

hmax = 5m Smax = 1pF/cm (eau) = ±1%

0 r1 1 r2 22. . .( .h + .h ) C =

DLnd

140

3°) Capteur à ultrasons

a) Principe Même principe que pour la mesure de distance, la cible est la surface du liquide.

max

v. th = L -

2

Deux possibilités de mesure

b) Exemple industriel (Gems)

hmax = 1,25m Smax = 30mV/cm (eau) = ±0,5mm

141

4°) Capteur à hyperfréquence (Radar pulsé)

a) Principe

Même principe qu’en ultrason, mais avec une onde électromagnétique hyperfréquence (GHz).

max

c. th = L -

2

b) Exemple industriel (Vega)

hmax = 35m Smax = 100µV/mm (eau) = ±2mm

142

5°) Capteur à absorption gamma (Radiométrique)

a) Principe

On mesure le signal transmis à travers le matériau, son atténuation est fonction de la hauteur. On utilise du Cobalt 60 ou du Césium 137 !!!

b) Exemple industriel (Thermo Scientific)

Émetteur

Détecteur

hmax = 5m Smax = 10mV/m (eau) = ±1%

143

6°) Détecteur de niveau magnétique

a) Principe

Un aimant est inséré dans un flotteur. Lorsque le liquide soulève le flotteur, l’aimant déclenche l’interrupteur ILS.

b) Exemple industriel : simple niveau (Gems)

Pmax = 300PSI = 21Bar = ±5mm

144

c) Exemple industriel : multi niveaux (Gems)

Exemple d’utilisation

Hmax = 4m 1 à 6 détecteurs = ±1mm

145

7°) Détecteur de niveau conductif

a) Principe

b) Exemple industriel (ACS Contsys)

Pmax = 10Bar = ±1mm

146

8°) Détecteur de niveau à ultrasons

a) Principe

L’émetteur envoie un signal au récepteur. En l’absence de liquide le signal reçu est très atténué (air). En présence de liquide le signal reçu devient plus important. Ce changement d’amplitude est détecté au moyen d’un trigger.

b) Exemples industriels (Gems)

Pmax = 5Bar = ±1mm

147

9°) Détecteur de niveau optique

a) Principe

L’émetteur envoie un signal vers un prisme qui le réfléchit vers un récepteur. En présence d’un liquide, la quantité de lumière réfléchit change, et le récepteur la détecte.


Simple (Sensor Technics)

Avec fibre optique (Baumer)

Pmax = 160Bar = ±1mm

148

10°) Détecteur de niveau à absorption gamma (Radiométrique)

Même principe que pour la mesure de niveau sauf que l’on met le détecteur vertical.

150

13°) Applications


Conductif Puits

Capacitif Silo

Ultrason Cuve de fioul

Hyperfréquence Industrie alimentaire

Absorption gamma Pétrochimie

Détecteur magnétique

Cuve à huile

Détecteur conductif

Protection pompe contre fonctionnement à vide

Détecteur à ultrasons Trop plein

Détecteur optique Tube avec liquide dangereux

Détecteur gamma Pétrochimie

151

IX) CAPTEURS DE VITESSE D’UN SOLIDE 1°) Vitesse linéaire Remarque générale : pour mesurer une vitesse de déplacement linéaire sur une distance supérieure à quelques mètres on transforme cette vitesse de déplacement en vitesse de rotation au moyen d’une roue.

a) L’effet Doppler (1842 - son) – Fizeau (1848 – lumière)

Le phénomène est connu par tous : le son du pimpon des pompiers change quand leur camion se déplace.

Soit :

v = vitesse de déplacement,

c = vitesse de propagation de l’onde émise (330m/s pour du son, 3.108 pour une onde électromagnétique) fs = fréquence de la source d’émission émise

On montre que la fréquence reçue f r vaut :

sr

ff =

v1 c

152

Illustration du phénomène Doppler

b) Radar hyperfréquence

V = 0 fr = fs V < 0 fr > fs V > 0 fr < fs

f " = f - 2.v/ où = c/f

d'où v = (f " - f). / 2

153

En pratique les radars sont bi-fréquences : f1 pour mesurer la vitesse f2 = f1 + f en phase avec f1 pour mesure la distance d :

.cd = avec = déphasage de l'onde réfléchie

4. . f

c) Radar laser

Principe

Même principe que celui hyperfréquence mais on utilise un signal lumineux infra-rouge

154

Exemples : Contrôle routier

Radar hyperfréquence (Morpho) Jumelles laser (Jenoptik)

d) Doppler laser

Principe

155

Équations de fonctionnement

Synoptique de l’appareillage

156

Exemple industriel (Elovis)

Conditionneur Capteur

e) Sonde Pitot

Voir chapitre X-7 2°) Vitesse angulaire

a) Génératrice à courant continu

Principe

Utilisation d’un moteur à courant continu (DC) en génératrice.

G GU = k .

Exemple industriel (Moog)

vmax = 1500m/mn Portée = 12cm = ±0,1%

max = 35 000 tr/mn S = 0,32mV/tr/mn = ±1%

157

b) Génératrice à courant alternatif synchrone ou asynchrone

Principe

Une tension sinusoïdale est appliquée en vr. On récupère aux bornes de la bobine en quadrature une tension en phase et dont l’amplitude est proportionnelle à la vitesse de rotation.

Exemple industriel (Radio Energie)

r

vrReferenceCoil

QuadratureCoil

Rotor

vq

Vq = Kg.r

max = 10 000 tr/mn S = 8mV/tr/mn = ±0,2%

158

c) À réluctance variable (VRS) Principe

Constitué d'un aimant permanent placé à l'intérieur d'une bobine. Lorsque l'on présente une pièce métallique devant l'aimant, le champ magnétique varie (car on modifie la réluctance du circuit magnétique) ce qui a pour effet de créer un courant induit dans la bobine :

Pièce métal présente courant ≠ 0 Pièce métal absente courant = 0

La fréquence du signal récupéré est donc proportionnelle à la vitesse de rotation

Exemple : ABS

1 - Cible électrique.

2 - Boîtier.

3 - Aimant permanent.

4 - Douille.

5 - Tige polaire.

6 - Bobinage.

7 - Fixation.

8 - Cible.

159


o Pour moteur de voiture (Bosh)

Existe en version bipolaire : on soustrait les signaux issus des deux pôles.

o Kit pour moteur électrique (Omega)

Capteur Ensemble monté

dmax = 5mm fmax = 200Hz

Roue aimantée

max = 3500tr/mn

160

d) À effet Hall et magnétorésistif Aimantation externe

o Principe

Des aimants dont disposés sur un disque de manière alternée dans le domaine de la polarité. Un capteur de champ magnétique (Effet Hall ou magnétorésistif) mesure cette alternance et délivre un signal dont la fréquence vaut est l'image de la vitesse de rotation.

Répartition des aimants Piste magnétique sur un roulement

o Exemple industriel (Speed Sensor)

À aimant intégré

o Principe

Un aimant est intégré au capteur. L’alternance des dents et des creux de la cible métallique fait varier le champ magnétique à l'intérieur du capteur.


161

Cette variation de champ magnétique est mesurée par un élément sensible (Effet Hall ou magnétorésistif)

o Exemple industriel (Rheintacho)

Capteur Cible

e) Doppler laser Même principe que pour la mesure de vitesse linéaire.

Exemple industriel (SKF)

A : Cible métallique B : Élément sensible C : Aimant permanent D : Capteur à aimant intégré


dmax = 15mm max = 100 000 tr/mn = ±0,01%

162

f) Optique

Fourche optique avec un disque

o Principe

Un disque métallique avec trous ou un disque plastique transparent avec alternance de zones transparentes et opaques est inséré entre l’émetteur et le récepteur de la fourche optique.

On récupe ainsi une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation et au nombre de trous.

o Exemple industriel (Optel Thevon)

Codeur incrémental

o Principe

On utilise soit la sortie index soit une des deux sorties phase du codeur. On récupère aussi une fréquence proportionnelle à la vitesse de

rotation.

o Exemple industriel (Celesco)

fmax = 100 kHz = ±0,001%

max = 8 000 tr/mn = ±0,01%

164

4°) Applications


Liné

aire

Radar hyperfréquence Sécurité routière

Radar laser Sécurité routière

Doppler laser Train de laminage

Sonde Pitot Avion - Bateau

Angu

laire

Génératrice CC Petit asservissement

Génératrice AC Petit asservissement

À reluctance variable Automobile

À effet Hall Automobile

Magnétoélectrique Automobile

À aimant intégré Automobile

Doppler laser Vitesse arbre moteur

Optique Asservissement de précision

Gyroscopique piézo iPhone

165

X) CAPTEURS DE VITESSE D’UN FLUIDE 1°) Anémomètre à coupelles

a) Principe

On transforme la vitesse du fluide en vitesse de rotation d’un axe que l’on mesure par les techniques de mesure de vitesse angulaire d’un solide.

F(N) dépend de :

propriétés aérodynamiques de l’anémomètre frottements dimension et matériaux utilisés nombre de coupelles

En pratique il faut effectuer un étalonnage en soufflerie.

b) Exemple industriel (Littoclime)

V 2. .F N .R.N

N = Nb de tours par seconde R = rayon moyen du bras F(N) = fonction d’étalonnage

Vmax = 50m/s S = 0,5mA/m/s Fluide = air = ±1%

166

2°) Anémomètre à hélices

a) Principe

Même principe qu’un anémomètre à coupelles : le fluide fait tourner une hélice dont on mesure la vitesse de rotation au moyen d’un capteur de vitesse angulaire.

h rot

h vent max

rot vent

2.V = vitesse des hélices = r. = . r.V , en rd/s et V en m/s

60etV = .V avec = 59%, limite de Betzd'où

30.V = .V

. r

Ici aussi, un étalonnage en soufflerie est nécessaire.


Sur mat (Young)

Portable (Kestrel)

Vmax = 35m/s S = 57mV/m/s Fluide = air = ±2%

Vmax = 60m/s Fluide = air = ±0,2%

167

3°) Anémomètre à fil chaud

a) Principe

L’anémomètre à fil chaud fonctionne sur le principe du refroidissement d’un fil chauffé par un courant électrique (effet Joule). La mesure de la puissance thermique transférée donne une mesure indirecte de la vitesse de l’écoulement du fluide.

Sonde

Constitution

Simple, double et triple sonde

Film

168

Équations de fonctionnement

Il existe quantité de modélisations (Bruun, Kramer, King, …) que l’on peut résumer par :

u 0 0 e 0 0

ef

f

N = a + b . R , a et b = cste

V.R = nombre de Reynolds =

v = diamètre du fil et v = viscosité cinématique du fluide

Or Rw R0.[1 + A.(Tw – Tf)] (voir chapitre I.1)

2w f f

0 0w 0 0 0 f

R .I . . . .Il vient alors : = a + b. V, avec a = .a et b = .b .

R - R A.R A.R vl l

w w w 0D'autre part R .I = U U = R .(R - R ).(a + b. V ) Il existe aussi des anémomètres à cylindre chaud (bidirectionnel) et à boule chaude (omnidirectionnel).

.

2w f w f u

w

f

w f

u

R .I = . .(T - T ).N

R = résistance du filI = courant continu dans le fil = longueur fil >> = diamètre du fil

= conductivité thermique du fluideT , T = températures du fil et du fluideN =

l

l

nombre de Nusselt, dépendant de la vitesse V

169

b) Conditionneur

On mesure les fluctuations de I au moyen d’un pont de Wheatstone asservi qui permet de travailler à température de fil constante et donc à RW constante aussi.

Schéma

Courbe

Nécessite un étalonnage

170

c) Exemple industriel (Dantec)

4°) Anémomètre à ultrasons

a) Principe

Deux transducteurs ultrasonores sont alternativement émetteurs et récepteurs d'un train d'ondes ultrasonores. Les temps de transit aller-retour T1 et T2 sont mesurés et on en déduit, par différence, la vitesse du vent le long de l'axe formé par les deux transducteurs. L'intérêt de ce type d'anémomètre est de ne pas avoir de pièces en mouvement et de pouvoir mesurer un vent turbulent. Possibilité de mesurer le vent dans 1, 2 et 3 axes.

b) Équations de fonctionnement

1

2

1 2

LT =

C - VL

T = C + V

C = vitesse du son

L 1 1 V = -

2 T T

Vmax = 100m/s Rw = 6 Fluide = gaz ou liquide = ±1%

171


1 axe ( SkyPower)

3 axes ( GILL Instrument)

Vmax = 65m/s Fluide = air = ±0.15%

Vmax = 45m/s Fluide = air = ±0.5%

172

5°) Vélocimètre Doppler à ultrasons

a) Principe

On utilise le principe de l’effet Doppler (voir capteurs de vitesse d’un solide).

b) Synoptique d’un appareil (Signal Processing)

D

e

e

D

C . fV = 2.f .cos( )

C = vitesse de l'onde ultrasonoref = fréquence signal émisf = fréquence Doppler

173

6°) Vélocimètre laser Doppler

a) Principe

Même principe que pour le vélocimètre ultrasonore, mais avec une onde lumineuse.

b) Synoptique d’un appareil

c) Exemple d’une sonde (Dantec Dynamics)

D

D

f .V = 2.sin( )

2 = longueur d'onde du laser

f = fréquence Doppler

Vmax = 100m/s Fluide = Liquide = ±0.1%

174

7°) Sonde Pitot

a) Principe

Elle utilise le principe de Bernoulli (1700 - 1782) : « Dans un gaz si on respecte certaines hypothèses la pression totale Pt reste constante » Cette pression totale qui représente l'énergie totale contenue dans le fluide

en mouvement est la somme de deux pressions distinctes : la pression statique PS = la pression au sens commun du concept, la

pression atmosphérique autour de l'objet. la pression dynamique PD = par exemple la pression du vent sur votre

main placée perpendiculairement à la vitesse. Elle est due au fait que l'air en mouvement « contient » une énergie cinétique et toute tentative d'arrêt par un obstacle (le tube de Pitot s'appelle aussi sonde de pression d'arrêt) augmente la pression des particules d'air qui sont arrêtées ou simplement ralenties.

Une rapide mise en équation montre que cette pression dynamique PD issue directement de la variation d'énergie cinétique vaut : PD = ρV²/2 où ρ est la masse volumique du fluide (1kg/l pour de l’eau er 1,3 kg/m3 pour de l’air dans les basses couches atmosphériques). Puisque la somme pression statique + pression dynamique appelée pression

totale PT reste constante, on écrit : PT = PS + PD = Ps + ρ.V²/2 (équation de Bernoulli simplifiée)

T S2.(P - P )D'où V =

175

Principe avec un capteur de pression relative type manomètre à tube

Pour faire un capteur de Pitot, on remplace le manomètre par un capteur de pression relatif (voir capteurs de pression).

La formule n’est valable que pour V < 0,4Mach = 480km/h

Deux capteurs de pression absolue mesurent Pt et Ps, un calculateur en déduit le nombre de Mach M, vitesse.

p = PD

176


Capteur industriel (Texys)

Avion (Tales)

Vmax = 288km/h Fluide = air = ±0.25%

Vmax = 900km/h Fluide = air = ±0.5%

178

9°) Applications

Méthode Liquide / Gaz Domaines & Applications

Anémomètre coupelle L & G Éolienne

Anémomètre hélice L & G Station météo portable

Anémomètre fil chaud L & G Turbine

Anémomètre ultrason L & G Air conditionné

Vélocimètre ultrason Doppler

L Médical

Vélocimètre laser Doppler L Laboratoire

Sonde Pitot L & G Avionique – Formule 1

179

XI) CAPTEURS DE DÉBIT D’UN FLUIDE 1°) Généralités

a) Débit volumique

QV = S.V S = surface de section de la conduite en m² V = vitesse moyenne du fluide en m/s b) Débit massique Qm = . QV

= masse volumique (1000kg/m3 pour l’eau)

2°) À turbine

a) Principe

Le fluide entraîne une turbine (hélice ou pales) métallique. Un capteur magnétique (reluctance variable, Foucault, …) récupère la fréquence de rotation.

f = KT.Q

KT = coefficient qui dépend réalisation du débitmètre (forme des pales, diamètre du rotor et du corps).

180


Petit diamètre (RM&C)

Gros diamètre (Spirax)

= 17mm Fluide = liquide Qmax = 6,5L/mn KT = 12,5.103 Hz/L/mn = ±0,5%

= 40cm Fluide = liquide & gaz Qmax = 3000m3/h KT = 0,42 Hz/L/mn = ±1%

181

3°) À tourbillons (effet vortex)

a) Principe

Un obstacle est placé dans le conduit de manière à former un tourbillon (vortex ou cheminement de tourbillons selon Karman (1881 – 1963)). Lorsqu'un fluide passe sur un corps perturbateur placé dans le tube de mesure, des tourbillons se forment alternativement sur chaque côté de cet élément perturbateur.

La fréquence de détachement des tourbillons, alternativement de chaque côté de l'élément perturbateur, est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement, donc au débit volumique. Les variations de pression générées par ces tourbillons sont détectées par un capteur capacitif ou piézoélectrique.


Petit diamètre (RM&C)

vf = K .Q

= 8mm Fluide = liquide Qmax = 15L/mn KV = 133Hz/L/mn = ±2%

182

Gros diamètre (Bopp & Rheuter)

4°) Sonde Pitot Une sonde Pitot permet de mesurer la vitesse d'un fluide et donc dans déduire le débit si l'on connaît la section du tuyau. 5°) Électromagnétique

a) Principe

Le débitmètre électromagnétique fonctionne suivant le principe de Faraday. Quand un liquide conducteur s’écoule perpendiculairement à travers un champ magnétique, une différence de potentiel électrique est créée au sein du liquide. Cette différence de potentiel, captée à l’aide de deux électrodes permet, par le calcul, d’en déduire la vitesse puis le débit du fluide.

= 30cm Fluide = gaz Qmax = 20000m3/h KV = 0,1Hz/L/mn = ±1%

183

Une charge électrique (électron, anion, cation), qui se déplace dans un champ magnétique, subit une force (force de Laplace) qui tend à faire dévier cette charge de sa trajectoire initiale :

F=q.v∧B

q = charge de la particule,

v = vecteur vitesse U = D.B.V B = vecteur champ magnétique

b) Exemples industriels Petit diamètre (Redwood)

= 5cm Fluide = liquide Qmax = 60L/mn = ±0,25%

184

Pour pipeline (ABB)

6°) Ultrasonique à temps de transit

a) Principe En transmission Basé sur la mesure des temps d’aller-retour d’une onde ultrasonore. Les capteurs A et B sont alternativement émetteurs puis récepteurs.

= 2,5m Fluide = liquide Qmax = 140.103m3/h = ±0,2%

185

AB BA

2 2 2

2

AB BA

L 1 1On en déduit V = . -

2.cos( ) t t

dOr cos( ) = où d est la distance horizontale entre les 2 capteurs

LEt L = d + , = diamètre du tube

d 1 1 V = . 1 + . -

2 d t t

On

2

22

uAB BA AB BA

.sait que Q = V.S = .V

4

.d. 1 1 1 1Q = . 1 + . - = K . -

8 d t t t t

Une électronique mesure les temps tAB et tBA. Le diamètre et la distance inter capteurs permettent de calculer Q.

n réflexion Les capteurs sont du même côté, l’onde se réfléchit sur la paroi du tube, elle parcourt donc une distance double.


En transmission (Siemens)

= 60cm Fluide = liquide Qmax = 1300m3/h = ±0,5%

186

En réflexion (Emerson)

7°) Ultrasonique Doppler

a) Principe

La différence de fréquence (Doppler shift) est donnée par :

t

t

f.CV =

2.f .cos( )f = fréquence d'émission

C = vitesse de l'onde ultrasonore

Il est donc nécessaire de connaître C qui varie avec le fluide et sa température.

Le capteur est fourni avec un tableau permettant l’étalonnage de

l'électronique.

= 1m Fluide = gaz Qmax = 2.104 m3/h = ±0,1%

187

b) Exemple industriel (Dynasonics)

8°) À masse thermique

a) À insertion Principe

On chauffe localement le fluide. On mesure la température locale et en aval.

On montre que : Qm K.T avec K dépendant du fluide.

Fluide = liquide Vmax = 12 m/s = ±2%

188

Sonde complète

Électronique de mesure

189

b) À capillarité Principe

Le débit massique (Qm) d’un liquide est fonction de sa chaleur spécifique (Cp) ainsi que de la différence de température (ΔT) mesurée aux bornes du capteur :

T = k.Cp. Qm

Un tube de mesure comprend deux sondes de température placées l’une en amont (T1) et l’autre en aval (T2) d’un élément chauffant qui amène le fluide à une température fixée par le fabricant (souvent une trentaine de degrés au-dessus de la température ambiante). Lorsque le débit est nul, T2 = T1. Lorsque le débit augmente, T1 décroît avec le débit de manière linéaire (pour les débits faibles) et T2 augmente linéairement tant que le débit est limité.

Sonde complète

On dérive une partie du liquide dans le tube de mesure.

190

Soit Qm le débit massique en entrée (et en sortie), QT le débit massique dans le capteur et QL dans l’élément laminaire, on a :

Qm = QL + QT = QT. (1+ QL/ QT) = k’. QT.

QL/ QT est directement proportion au rapport des diamètres (connus).

On en déduit :

mp

T K. P.

C

P = puissance de chauffage

Le capteur est fourni avec un tableau pour les différents liquides et gaz permettant l’étalonnage de l'électronique.


À insertion (Kobold)

= 20cm Fluide = gaz Qmax = 9200 m3/h = ±0,5%

191

À capillarité (Bronkhorst)

9°) À accélération de Coriolis (1793-1843)

a) Force de Coriolis

Lorsqu'un objet est soumis à la fois à une rotation et à une translation, il subit une accélération dite de Coriolis : aC = 2ω∧vT où ω est le vecteur de rotation et vT le vecteur vitesse de translation.

Cet objet subit donc une force perpendiculaire dite de Coriolis : FC = m.aC = 2.m.ω.vT

=10cm Fluide = gaz Qmax = 5000 m3/h = ±0,2%

192

b) Principe du débitmètre

Le débitmètre de Coriolis utilise comme détecteur un tube sans obstacle que l'on fait vibrer à sa fréquence de résonance au moyen d'un bobinage placé à mi-parcours du capteur. Lorsque des particules de fluide se déplacent dans le tube, elles vont provoquer des forces de Coriolis qui agissent en sens opposé sur les deux moitiés du tube : dans la première moitié du tube le fluide freine l'oscillation tandis qu'il l'accélère dans la seconde moitié en restituant l'énergie qu'il a acquise dans la première moitié.

Schéma du capteur

Forces de Coriolis en jeu

Il en résulte une distorsion du tube, ce qui se traduit par un retard de phase entre l'entrée et la sortie que l'on va mesurer à l'aide de capteurs inductifs.

193

Vibration et déformation

Ce décalage temporel entre les deux signaux oscillatoires est directement lié à l'angle de torsion, proportionnel à la force de Coriolis et donc au débit massique.

c) Exemple industriel (Heinrichs)

=25cm Fluide = gaz Qmax = 6000 kg/h = ±0,15%

195

11°) Applications

Méthode Liquide / Gaz Domaines & Applications

À turbine L & G Barrage

À tourbillons L & G Pétrochimie

Tube de Pitot L & G Hydraulique

Électromagnétique L Pétrochimie - Alimentaire

Ultrasonique à temps de transit

L & G Pétrochimie - Débit rivière

Ultrasonique Doppler L Liquide avec bulle - médical

À masse thermique L & G Gazoduc

Coriolis L & G Alimentaire

196


197

XII) CAPTEURS DE DÉFORMATION 1°) Jauge résistive

a) Principe

La résistance d'un fil constitué d'un métal ou d'un semi-conducteur (piézorésistivité, C.S. Smith-1954) varie avec l'allongement et le rétrécissement. La jauge est constituée de fil formant un serpentin :

gR

= k . dans le domaine élastiqueR l

l

Alliage Composition kg Coefficient

température ( °C-1) Manganin 84% Cu, 12% Mn, 4% Ni 0.47 6.10-6

Monel 67% Ni, 33% Cu 1.9 10-3 Armour D / Alchrome 70% Fe, 20% Cr, 10% Al 2 450.10-6 Karma / Chromel R 74% Ni, 20% Cr, 3% Al, 3% Fe 2 10.10-6 Constantan / Copel 45% Ni, 55% Cu 2.1 6.10-6 Nichrome V /Tophet 80% Ni, 20% Cr 2.5 220.10-6 Isoelastic / Élinvar 55.5% Fe, 36% Ni, 8% Cr, 0.5% Mn 3.6 260.10-6 Platine-Tungstène 92% Pt, 8% W 4.1 700.10-6 Platine-Iridium 95% Pt, 5% Ir 5.1 700.10-6 Platine 100% Pt 6.1 700.10-6 Semi-conducteur Si [50 , 200] -0.7

Valeurs normalisées

R () 60 120 350 500 1000

198

b) Constitution

c) Différentes formes et axes de déformation

C, D = 1 axe A = 1 axe G = concentrique B = 1 axe à 45°

E = 3 axes à 120°, existe aussi en 45° et 60° F, H = 2 axes perpendiculaires

A

C E D G H

B F

199

d) Montage en opposition

Permets de linéariser le pont de Wheatstone (Poly 1, C-I-3). Une résistance augmente, l’autre diminue de la même quantité.

En doublant le nombre de jauges, on compense l'influence de la température.

e) Exemples industriels (Vishay & HBM)

200

2°) Extensomètre à corde vibrante

a) Principe

Utilise le principe d’une corde de guitare dont la fréquence de résonance (note) dépend de la tension mécanique appliquée et ses caractéristiques mécaniques (diamètre, matériaux). La variation de la fréquence de vibration permet d’en déduire la déformation.

osc1 E L

F = . . , L = longueur au repos, E = module de Young, = masse volumique2.L L

La corde est excitée par E2 et la fréquence est mesurée au moyen de E1.

201

b) Schéma d’un système complet

c) Utilisation Utilisé en Génie Civil :

Barrages

centrales nucléaires

ponts et viaducs

grands édifices

revêtements de tunnel

pieux et caissons

202


Utilisation sur chantier

Utilisation dans la réfection d’un tunnel

Pose capteur

Geokon S = 1Hz/10µm = ±2,5.10-3

203

3°) Extensomètre capacitif Constitué d’un condensateur différentiel capacitif et utilisable jusqu’à 1000°. Utilise un pont capacitif pour le conditionneur.

Instron

S = 1V/mm

= ±0,1%

205

XIII) CAPTEURS DE FORCE 1°) Résistance FSR

a) Principe

La résistance varie en fonction de l’effort appliqué. Ne nécessite pas de corps d’épreuve.

b) Constitution

206

Capteur simple

Matrice

207

c) Exemples industriels (Interlink Electronics)

Multiples formes

Fmax = 25lb S = 10/lb = ±1% tr < 5µs

208

2°) Jauge résistive Nécessite un corps d’épreuve.

a) Jauges collées (XII-1)

On colle directement la jauge sur la pièce où l’on veut mesurer la force appliquée. La force est transformée en variation de longueur.

209

Permets de mesurer des forces suivant plusieurs axes grâce à l'utilisation de jauges multiples :

Futek b) Anneau dynamométrique

HBM

Fmax = 140kN = 36mm = ±1%

FX max = FY max = 250lb FZ max = 500lb SX = SY = 1,5mV/V SZ = 0,75mV/V = ±0,25%

210

c) Dynamomètre de pesage

MSI

d) Cellule de charge

Constitué de 4 jauges montées en pont. La force est appliquée par-dessus. La sensibilité dépend de la tension d’alimentation du pont.

Futek

Fmax = 10kN S = 1,5mV/V = 22mm = ±0,1%

Fmax = 250t L = 50cm & 1,3m entre anneaux = ±0,1%

211

3°) Inductif (LVDT + ressort)

a) Principe

La force est transformée en déplacement.

b) Exemples de réalisations (Schaevitz Sensor)

Anneau Amortisseur

c) Exemple industriel

Meas

x = k.F

Fmax = 100N S = 20µm/N = 10mm = ±0,2%

212

4°) Jauge capacitive La force appliquée fait varier la distance entre les armatures d’un condensateur plan ou la longueur commune des armatures d’un condensateur cylindrique.

a) Condensateur plan

Exemple de réalisation

b) Condensateur cylindrique

F

e

Au repos En chargeS

213

c) 2 axes

d) Exemple industriel

5°) Piézoélectrique

a) Historique et matériaux

Une force appliquée sur un matériau piézoélectrique crée une tension électrique en général suivant un axe perpendiculaire. Ce principe fut découvert par Pierre et Jacques Curie en 1880 sur la tourmaline, pierre précieuse de multiples couleurs formée de silicate.

Pierres de tourmaline

Fmax = 10 klb S = 1mV/lb = 12,5mm = ±0,15%

214

Par la suite, cette propriété a été trouvée sur le quartz (SiO2) qui a l’avantage d’être très répandu dans la nature.

Cristal de quartz

Quartz naturel

Depuis plusieurs dizaines d’années de nombreux autres matériaux ont été découverts :

Oxydes ferroélectriques : titanate de plomb PbTiO3, titanate de baryum BaTiO3, niobate de potassium KNbO3, niobate de lithium LiNbO3, le tantalate de lithium LiTaO3, PZN-PT et PMN-PT.

Cristaux homéotypiques du quartz : orthophosphate de gallium (GaPO4), berlinite (AlPO4), Langasite, Langanite et Langataite.

Céramiques : PZT et Non PZT composites.

215

Semi-conducteurs : nitrure d'aluminium (AlN) et oxyde de zinc (ZnO). Polymères ferroélectriques: polyvinylidene difluoride ou PVDF

(C2H2F2)n.

Sel : sel de Rochelle (KH2PO4).

b) Principe physique

Avant soumettre le matériau à une certaine contrainte extérieure, les centres de gravité des charges positives et négatives de chaque molécule coïncident. Par conséquent, les effets externes des charges négatives et positives sont réciproquement annulés donc une molécule électriquement neutre apparaît (A). Lorsque l'on exerce une force sur le matériau, sa structure réticulaire interne peut être déformée, provoquant la séparation des centres de gravité positifs et négatifs de la molécule et la création d'un petit dipôle (B). Les pôles en regard l'intérieur du matériau sont mutuellement annulés et une distribution d’une charge liée apparaît sur les surfaces verticales du matériau (C). Le matériau devient donc polarisé.

A B C

216

Cette polarisation engendre une ddp qui utilisée pour transformer l'énergie mécanique en énergie électrique (D).

D

Le calcul de cette ddp est très complexe, faisant appel à la notion de tenseur. On peut donner une formule approchée :

V = Sv .F. D/S

Sv= sensibilité en tension, dépend du matériau F = force appliquée D = épaisseur du matériau S = surface d’appui

c) Modèle électrique et conditionneur

217

d) Exemples industriels

Klister

HBM

Fmax = 10kN S = 1,6pC/N = 12,6mm = ±1%

Fmax = 5MN S = 0,1pC/N = 19cm = ±0,5%

219

221

XIV) CAPTEURS DE COUPLE 1°) Principe fondamental Couple = Force x rayon C = M = F.r

C = F.cos().r

En pratique on mesure la conséquence du couple sur un axe de longueur L, en général cylindrique, par l’angle de torsion qu’il engendre.

432.L.C = où G est le module de rigidité

.d .G

Illustration de la notion de couple

222

2°) Jauge résistive

a) Principe

On mesure la contrainte à la surface de l’axe.

Contraintes à la surface de l’axe

Jauges de mesure

En pratique on réalise un pont de Wheatstone à 4 capteurs

223

b) À bagues Il faut pouvoir récupérer le signal issu du pont alors que l’axe est en rotation d’où l’utilisation de bagues colleteurs (Slip ring).

Divers corps d’épreuve


224

c) Sans bague

Deux techniques permettent de s’affranchir de ces bagues :

Transformateur tournant

Schéma électrique

Schéma mécanique

Transmission HF - Télémesure

225

d) Exemples industriels

À bagues (Interface)

À transformateur tournant (PCB Piezotronics)

À transmission FM (Kistler)

Cmax = 500N.m S = 10mV/N.m = 48mm = ±0,25% max = 500tr/mn

Cmax = 11kN.m S = 450mV/kN.m = 16cm = ±0,05% max = 6 000tr/mn

Cmax = 1000N.m S = 5mV/N.m = 25mm = ±0,5% max = 10 000tr/mn

226

3°) Mesure de déphasage par roues dentées

a) Principe

Deux roues dentées (Toothed wheels) munies d’un capteur magnétique (Pickups). sont montées à chaque extrémité de l’arbre

Après mise en forme, on récupère deux signaux carrés déphasés. Ce déphasage est directement proportionnel au couple et la distance entre les deux roues. Ce déphase est transformé en tension grâce à un comparateur de phase, avec une OU exclusive par exemple.

b) Exemple industriel (Scaime)


227

4°) Mesure de déphasage par disques optiques

a) Principe Il est identique à la mesure par roues dentées. On remplace les roues par des marquages ou des disques munis de capteurs optiques, par exemple, des codeurs incrémentaux (voir VI-10).

b) Exemple industriel (HBM)

Cmax = 80kN.m S = 50mV/kN.m = 326mm = ±0,05% max = 3 000tr/mn

228

5°) À transformateur différentiel

a) Principe

Les bobines primaires sont alimentées en régime sinusoïdal. L’arbre est rattaché de part et d’autre à deux “cloches” en vis-à-vis dotées de deux fenêtres rectangulaires. Au centre du capteur, ces deux cylindres se chevauchent et deux bobines fixes (traversées par un courant alternatif) les encerclent, à quelques millimètres de distance. Lorsque l’arbre est au repos, les fenêtres des deux cylindres ne coïncident pas, aucun champ magnétique ne peut les traverser (effet de blindage). Lorsqu'un couple est appliqué, les deux cylindres traduisent la déformation qu'ils subissent en tournant en sens contraire l'un de l'autre, de telle sorte que les fenêtres commencent à se chevauche, laissant passer le flux magnétique. Les bobines secondaires transforment ce flux en tension.

b) Exemple industriel (Magtrol)

Cmax = 20N.m S = 0,5V/N.m = 60mm = ±0,1% max = 50 000tr/mn

229

6°) À arbre magnétisé

a) Principe

Utilise l'effet magnétostrictif inverse ou effet magnétomécanique, c'est-à-dire la modification de la susceptibilité magnétique en présence de contraintes mécaniques dans le matériau (embedded magnetic domain). Le principe repose sur le comportement de certains matériaux (dits ferromagnétiques) lorsqu’ils sont aimantés. En présence d’un champ extérieur, les moments magnétiques atomiques de ces matériaux s’orientent tous dans le même sens. Le champ magnétique résultant est alors renforcé. Si l’on atteint une certaine limite de magnétisation, le matériau est dit “saturé” et son aimantation est rémanente. Si l’arbre est ferromagnétique, il conserve donc son aimantation même en l’absence d’un champ magnétique extérieur. Cette orientation de ses moments magnétiques varie en fonction des contraintes mécaniques auxquelles est soumis l’arbre. En mesurant la variation de champ magnétique au moyen d’un capteur magnétique, on accède alors aux contraintes, et donc ainsi au couple appliqué à l'arbre.

b) Exemple industriel (Fast technology)


231

8°) Applications


Jauge résistive collée Dynamomètre, arbre de transmission de véhicule & bateau

Jauge résistive collée à transformateur tournant

Essai de freinage

Jauge résistive collée à transmission HF

Formule 1

Roue dentée Couplemètre

Disque optique Banc de calibration et de test

Transformateur différentiel

Rotor hélicoptère

Arbre magnétisé Machines outils

232


233

XV) CAPTEURS DE PRESSION 1°) Définition et différents types de pression

FP = où S est la surface sur laquelle la force F est appliquée

S

Pression absolue = pression par rapport au vide parfait.

Exemple : pression atmosphérique Pression différentielle = différence de pression entre 2 points de mesure

Exemple : pression par rapport à une référence

Jauge de pression = pression mesurée par rapport à la pression ambiante Exemple : pression sanguine

234

Pression hydrostatique = pression exercée au-dessous de la surface d'un liquide par le liquide situé au-dessus, quand le fluide est au repos. À l'intérieur d'une colonne de fluide se crée une pression due au poids de la masse de fluide sur la surface considérée.

2P = .g.h où = masse volumique, g 9,8 m/s et h = hauteur du liquide Pression hydrodynamique : elle résulte de la vitesse du fluide en

mouvement. Un fluide qui se déplace crée une pression supplémentaire :

21P = . .v où v = vitesse du fluide

2

2°) Membranes ou diaphragmes La pression est transformée en force ou déplacement grâce à la surface d’une membrane élastique.

a) Métalliques Mesure possible sur des pressions importantes (jusqu'à plusieurs milliers

de bars) Cellule entièrement soudée, aucun joint en contact Tenue limitée au vide poussé, lié à la présence de l'huile de transmission

qui a tendance à dégazer à pression ou température élevée Température d’utilisation limitée (100 à 125°C selon les versions), au-

dessus on utilise des séparateurs ou on éloigne le transmetteur

b) Céramiques

Tenue au vide absolu, car il s’agit d’une cellule sèche, aucun liquide de remplissage.

Bonne tenue chimique, la céramique (AL2O3) d’une pureté de 99,9% a une tenue chimique équivalente à des métaux nobles tels que tantale ou le titane

Robustesse à l’abrasion liée au matériau céramique et à l’épaisseur de la membrane,

Tenue aux surpressions (rapport de 40) Température de processus jusqu’à 150°C Cellule ouverte, à éviter sur les fluides froids (< 5°C), risque de

condensation dans les ambiances chaudes et très humides

235

3°) À jauges

a) Principe

Utilisation de jauge résistive ou piézorésistive collée sur la membrane qui transforme la pression en force :

b) Exemple industriel (Honeywell)

4°) À diaphragme capacitif

a) Principe

La pression engendre une déformation de la membrane qui entraîne une variation de la capacité :

Principe

Pmax = 300 psi S = 0,3mV/psi = ±0,25%

236

Constitution

Différentiel (linéarisé)

b) Exemple industriel (Sensata)

Pmax = 750 psi S = 6mV/psi = ±0,6%

237


a) Principe

La pression exerce une force sur le quartz qui restitue une variation de charge électrique.

b) Exemple industriel (Vibro-Meter)

Pmax = 350 bar S = 200pC/bar = ±1%

238

6°) À reluctance variable

a) Principe

La pression engendre une déformation du diaphragme, ce qui entraîne une variation de l'entrefer et donc de l'inductance :

Principe de base

Conditionneur

Absolu Différentiel

g0 = entrefer à p = 0 g1 = entrefer de L1 à p ≠ 0 g2 = entrefer de L2 à p ≠ 0

0 2 1

1 1 2

E g - g =

E 2.(g + g )

239

b) Exemple industriel (Tavis Corporation)

7°) À LVDT

a) Principe

La pression engendre une déformation du diaphragme qui pousse le noyau d’un LVDT (force) :

b) Exemple industriel (Impress)

Pmax = 3500 bar S = 100µV/V/bar = ±0,5%

Pmax = 10 bar S = 100µV/V/bar = ±0,5%

242

XVI) CAPTEURS DE PRESSION ACOUSTIQUE 1°) Appareil vocal – Production de sons L'appareil vocal ou appareil de la phonation désigne l'ensemble des organes qui permettent à l'homme d'émettre des sons. Il n’existe pas en tant qu’organe, il n’existe que sous la forme d’une entité fonctionnelle

L'appareil phonatoire est constitué de trois parties : l'appareil respiratoire (soufflerie) le larynx et les cordes vocales (vibrateur) les cavités de résonance (résonateurs et modulateur)

Enfin, les articulateurs (langue, lèvres, mâchoire et dents) transforment le son en voix parlée et chantée. Pour émettre un son, il faut : prendre de l’air à l’aide des poumons faire vibrer les cordes vocales amplifier le volume dans les résonateurs

Les cordes vocales sont deux muscles qui se resserrent ou s'écartent plusieurs centaines de fois par seconde, ce qui donne la fréquence de la vibration émise. Les résonateurs sont la bouche, fosses nasales et tout l’intérieur du crâne.

Le son qui sort par la bouche est une vibration sous forme d’onde de pression.

243

2°) Microphone électrodynamique

a) Principe

L’onde de pression fait vibrer une membrane solidaire d’une bobine mobile. Cette dernière sous l'effet des variations de pression acoustique oscille dans un champ magnétique annulaire produit par un aimant permanent. La bobine coupe les lignes de force du champ magnétique. En raison des oscillations périodiques de la membrane, et donc de la bobine dans le champ, il y a induction d’un courant électrique dans la bobine mobile, courant qui peut être rendu utilisable par une amplification appropriée.

Principe

Constitution

244

b) Exemple industriel (Shure)

3°) Microphone ruban

a) Principe De la famille des microphones électrodynamiques, la bobine est remplacée par un ruban en aluminium servant à la fois de membrane et de bobine. Le ruban fixé à ses 2 extrémités est placé dans un champ magnétique permanent. Il peut osciller sous la pression acoustique ce qui fait apparaître une tension à ses extrémités.

Principe et constitution

b) Exemple industriel (Royer)

S = –75dBV (0 dBV = 1 mV/µbar @ 1 kHz) BP = [50, 15k] Hz Z = 300

S = 10mV/Pa BP = [30, 15k] Hz Z = 200

245

4°) Microphone à condensateur (Électrostatique)

a) Principe

À la différence du micro dynamique, le microphone électrostatique ne met pas en jeu un dispositif mobile solidaire d’une bobine. La membrane est un disque extrêmement léger faite de métal (Titanium) ou bien de Mylar ou de polyester rendu conducteur par un saupoudrage de métal ou une diffusion de vapeur de métal sur sa surface. Cette membrane est flottante et constitue l’une des armatures d’un condensateur. Les variations de pression provoquée par l'onde sonore font varier la distance entre les deux armatures et, donc la capacité. Cet effet est exploité dans un circuit électrique de manière à récupérer un signal dont les variations sont à l’image de celles de la pression acoustique.


b) Exemple industriel (Brüel & Kjær)

S = 1,4mV/Pa BP = [4, 100k] Hz C = 6,1pF

246

5°) Microphone Électret

a) Principe

Les microphones à électret sont apparus bien après les microphones électrodynamiques et électrostatiques.

Le principe reprend celui du microphone électrostatique à ceci près que la tension de polarisation disparaît, car la membrane porte une charge électrostatique permanente, c'est cet élément que l'on appelle électret.

Un préamplificateur à FET ou à MOS inséré dans le corps du micro fonctionne avec une pile ou bien utilise l’alimentation fantôme.



Boîtier (CUI Inc)

MEMS

S = 6,3mV/Pa BP = [20, 20k] Hz Z = 10

247

6°) Microphone magnétique (Guitare & basse)

a) Principe Un micro de guitare est composé d’un ou plusieurs aimants, entouré d’une bobine de cuivre. Le principe de fonctionnement est basé sur la loi de Lenz-Faraday. Chaque aimant engendre un champ magnétique principal qui aimante partiellement les cordes. En vibrant, les cordes font légèrement varier le champ magnétique principal, ce qui induit en réponse l’apparition d’une force électromotrice dans la bobine qui s’oppose à la variation de champ magnétique. La vibration de la corde à une fréquence f et une amplitude données induit une variation de champ magnétique avec la même fréquence et une amplitude proportionnelle créant une tension variable de fréquence f et d'amplitude proportionnelle. En toute rigueur, le rôle du micro consiste à traduire les vitesses acquises par les cordes et non leurs déplacements. Il existe de nombreux types de microphones, dont chacun a un fonctionnement et une « couleur » de son particulier. Les principaux sont : Microphone à simple bobinage : fut le tout premier, l’aimant (en

Alnico ou en alliage de type céramique) est entouré de plusieurs milliers de tours d’un fil de cuivre très fin et vernis formant le bobinage. Ces microphones ont le défaut d’être sensibles aux interférences (champs électromagnétiques ambiants produits par exemple par les éclairages au néon, les transformateurs, etc …).

Microphone à double bobinage (humbuckers) : Créé dans les

années 1950 pour pallier ce problème, association de deux microphones à simple bobinage câblé inversé (mode différentiel).

248


Exemple pour une guitare 6 cordes


Fender

Gibson

S = 120mV Z = 7,2k S = 340mV Z = 9k

249

7°) Microphone piézoélectrique

a) Principe

Le capteur piézo-électrique fonctionne lui de façon très différente. Il ne capte pas les vibrations acoustiques de l'air, mais celles qui sont véhiculées à sa surface de contact. Il est constitué d'une lamelle de quartz (voir chapitre XIII) qui, sujette à une variation de pression due aux vibrations du diaphragme, va fournir un courant électrique alternatif proportionnel en amplitude et en fréquence à la vibration acoustique captée.


b) Exemple industriel (Endevco)

8°) Hydrophone L’hydrophone est un capteur capable de détecter les signaux acoustiques en milieu fluide (comparable à la fonction d’un microphone en milieu aérien). Les hydrophones utilisent donc uniquement l’effet direct de la piézo-électricité. Les deux caractéristiques principales sont :

ITC

S = 2.2nC/Pa BP = [1, 10k] Hz C = 5,2nF

S = 10nV/Pa BP = [10, 100k] Hz Profondeur max = 900m

250

9°) Directivité

Omnidirectionnel

Cardioïde

Hyper cardioïde

Bi directionnel

Sub cardioïde

Directionnel

251

Synthèse

254

XVII) CAPTEURS D’ACCÉLÉRATION ET DE CHOC 1°) Principe de la mesure en déplacement linéaire

a) Principe de base

2

2d x dx

forces = m. = m. + a. + k.xdtdt

La réponse du système donne :

i

r

F = m. = k.x en régime établi

1 mf = . , fréquence de résonance

2. k

b) Force inertielle Fi transformée en contrainte

Utilisé dans les accéléromètres à jauge et piézoélectrique.

Par cisaillement

255

Par compression

Par flexion

Cisaillement Compression Flexion

Avantage

- Peu sensible à la température - Faible importance du support

- Fort rapport masse sensibilité - Robustesse - Avantage technologie

- Meilleur rapport masse sensibilité

Inconvénient

- Faible rapport masse sensibilité

- Peu sensible à la température - Forte importance du support

- Fragile - Moyennement sensible à la température

256

c) Force inertielle Fi transformée en déplacement

Utilisé dans les accéléromètres capacitif et optique 2°) Principe de la mesure en angulaire (Pendule)

x

y

F = T.sin( ) = m.

et

F = T.cos( ) - m.g = 0

tan( ) = g

La mesure de l’angle donne l’accélération. Le fait que intervienne sous forme de tangente ne permet pas une mesure directe facile. Cette technique de mesure est associée à un asservissement de position angulaire, voir § 8. 3°) À jauges

a) Principe

Utilisation de jauges résistive ou piézorésistive.

En boîtier MEMS

257

b) Exemple industriel (Endevco)


a) Principe

b) Exemple industriel (Measurement)

5°) Capacitif

a) Principe

La force inertielle fait bouger les armatures de condensateurs :

Principe

max = 2000g S = 0,25mV/g = ±2%

max = 50g S = 100mV/g = ±1%

258

Coupe

MEMS

Électronique MEMS

259

b) Exemples industriels En boîtier (ASC)

MEMS (CETS)

CI (Analog Devices)

ADLX22035

max = ±200g S = 20mV/g = ±0,5%

max = ±10g S = 250mV/g = ±0,2%

max = ±18g S = 100mV/g = ±1,5%

260

Inclinomètre 2 axes (Sensorex)

6°) Optique

a) Principe

Basé sur la réflexion de la lumière.

b) Exemple industriel (Phone-Or)

max = ±10g S = 100mV/g = ±1,5%

max = ±15° S = 30mV/° = ±0,5%

261

7°) Fibre optique à réseau de Bragg (FBG)

a) Réseau de Bragg

Il s'agit d'une structure dans laquelle alternent des couches de deux matériaux d'indices de réfraction différents, ce qui provoque une variation périodique de l'indice de réfraction effectif dans le guide. C’est un filtre sélectif optique que ne renvoie qu’une longueur d’onde proportionnelle à l’écartement des disques du réseau :

b) Principe de l’accéléromètre

Une masse subissant l'accélération va comprimer ou tendre la fibre, ce qui va modifier la distance et, donc changer la longueur d'onde réfléchie.

Principe

Structure du capteur

262

Courbe

c) Exemple industriel (Micron Optics)

8°) Asservi (Force balance)

a) Principe

L'accéléromètre à force d'asservissement produit une sortie proportionnelle à la force requise pour maintenir la masse dans une position d'équilibre :

max = ±40g S = 10pm/g = ±1,5%

263

L’accéléromètre asservi peut prendre l'une des deux géométries de base (linéaire et pendulaire). La géométrie pendule est la plus largement utilisée dans les modèles commerciaux. Jusqu'à récemment, le mécanisme d'asservissement a été principalement fondé sur des principes magnétiques : courant à travers les bobines. La masse pendulaire développe un couple proportionnel au produit de la masse sismique et l'accélération appliquée. Le déplacement de la masse est détecté par les capteurs de position, capteurs capacitifs généralement, qui envoient un signal d'erreur au système d'asservissement. Le signal d'erreur pilote l'amplificateur d'asservissement pour fournir en sortie un courant de rétroaction au moteur de couple, qui développe ainsi un couple résistant égal en amplitude au couple d'accélération engendré par la masse pendulaire.

Principe de l’asservissement

264

b) Exemple industriel (Sensorex)

9°) 3 Axes Dans le même boîtier 3 accéléromètres, à jauge, piézoélectrique ou capacitif, mesurant les 3 accélérations suivant les directions d’un repère orthonormé.

max = ±0,05g S = 100mV/g = ±0,02%

265

a) Exemple industriel à jauges (Endevco)

b) Exemple industriel piézoélectrique (Meggitt)

c) Exemples industriels capacitifs

Boîtier (Silicon Designs)

max = ±1500g S = 0,15mV/g = ±2%

max = ±2000g S = 2,8pC/g = ±1%

max = ±200g S = 20mV/g = ±2%

266

CI et MEMS (Freescale)

Synoptique

10°) Gyroscope

a) Différence fondamentale

La différence entre un gyroscope et un accéléromètre est que le premier peut mesurer une rotation, l’autre pas. Un accéléromètre 3 axes possède la capacité à évaluer l'orientation d'une plate-forme stationnaire par rapport à un référentiel. Si le référentiel se retrouve à être en chute libre, l'accélération sera vue comme nulle, car l'accélération n’est pas différente de l'accélération due à l'attraction gravitationnelle de la Terre. Donc, un accéléromètre seul ne peut pas être utilisé pour maintenir un avion, hélicoptère dans une orientation particulière. Un gyroscope à d'autre part a la capacité de mesurer la vitesse de rotation autour d'un axe particulier. Une autre façon d'identifier la différence entre un gyroscope et un accéléromètre est de comprendre qu'un gyroscope permet de mesurer ou de maintenir l'orientation, en utilisant les principes de moment angulaire, tandis qu'un accéléromètre mesure des vibrations.

max = ±1,5g S = 800mV/g = ±1%

267

Une dernière différence concerne le fait qu’un gyroscope donne une indication de la vitesse angulaire, tandis qu’un accéléromètre mesure l'accélération linéaire. Un gyroscope peut être utilisé pour la navigation, sur les drones et les hélicoptères radiocommandés. De plus en dérivant on peut récupérer l’accélération angulaire. b) Principe

Schéma mécanique


Boîtier (Texsense)

vmax = ±150°/s S = 1,3mV/°/s = ±0,5°/s

268

MEMS (Epson)

CI (Analog Devices)

vmax = ±60°/s S = 25mV/°/s = ±0,5°/s

vmax = ±300°/s S = 6mV/°/s = ±0,1°/s

270

12°) Applications


Jauge Mesure de chocs, crash-tests

Piézoélectrique Industrie, mesures en haute température

Capacitif Inclinomètre. Automobile, aéronautique.

Optique Mesure de vibration. PDA, jeu vidéo

Fibre optique Milieu explosif, génie civil

Servo Mesure de vibration. Sismique, Génie civil

3 axes Jeu, PDA, iPhone,

Gyroscope Radiocommande, centrale inertielle, iPhone

271

XVIII) CAPTEURS DE VIBRATIONS 1°) Généralités

a) Définition

Une vibration est un mouvement oscillant d'une particule ou d’un corps autour d'un point de référence fixe. Elle peut être harmonique simple (sinusoïdale) ou complexe (non sinusoïdal) et se produit dans divers modes, tels que les modes de flexion ou de translation voire dans plusieurs modes à la fois.

Production d’une vibration

b) Mesures

On peut donc mesurer 3 grandeurs /:

0

0 0 0

20 0

Déplacement : d(t) = D.sin( .t)dd(t)Vitesse : v(t) = = D. .cos( .t) = V.cos( .t)

dtdv(t)

Accélération : (t) = = -D. .sin( .t) = .sin( .t)dt

Le choix de la grandeur mesurée se fera en fonction de nombreux critères comme la fréquence, la masse.

Grandeur mesurée

Domaine

Déplacement Phénomènes lents (basses fréquences) [2–100 Hz] : balourd, désalignement, instabilités de paliers ...

Vitesse Moyennes fréquences [1 000 Hz] : Balourd, lignage, instabilités de paliers, cavitation, passage d'aube, engrènement, etc.

Accélération Phénomènes très rapides (hautes fréquences) [20 000 Hz] : engrenages, roulements, passages d’ailettes, cavitation…

Critères de choix

272

Les vibrations peuvent causer des dommages aux structures et aux machines, ce qui entraîne un mauvais fonctionnement, une usure excessive, voire la rupture (destruction). Elles peuvent aussi avoir des effets néfastes sur les humains comme le mal des transports, dommages sur les muscles et les nerfs, etc. En pratique on relève le spectre :

Exemple de relevés vibratoires

c) Influence du capteur

En général, plus la masse du capteur de vibrations est grande, plus grande est sa sensibilité. Malheureusement, l'addition de la masse du capteur mC à la masse m de la structure vibrante modifie la fréquence de résonance f0 du système vibrant :

m 0C

mf = f .

m + m

273

2°) Exemples de capteurs utilisés et de grandeurs mesurées

Capteur Grandeur mesurée + -

Potentiomètre D statique Simple Coût

Durée de vie Faible gamme de fréquences et dynamique

Sonde à courant de Foucault

D relatif Faible impédance de sortie

Surface vibrante conductrice Faible dynamique

Sonde capacitive D relatif Grande sensibilité Grande gamme de fréquences

Surface vibrante conductrice Faible dynamique

Bobine mobile V Simple Coût

Très faible gamme de fréquences et dynamique Sensible aux champs magnétiques

Laser Doppler V relative

Pas de préparation de la surface Pas de masse rajoutée Possibilité de scruter plusieurs centaines ou milliers de points en des temps très réduits

Prix Plage de mesure

Accéléromètre piézorésistif

A

Large gamme de mesure, fréquence et dynamique Sensible aux champs magnétiques

Fragile aux chocs

Accéléromètre piézoélectrique

A absolue

Grande gamme de mesure, fréquence et dynamique Durée de vie Extrêmement compact et d'un grand rapport qualité-prix.

Ne passe pas le DC Conditionneur

Accéléromètre piézo MEMS

A absolue Faible impédance de sortie

Ne passe pas le DC Dynamique un peu faible Limité en température

Toutes les autres techniques de mesures de distance, vitesse et accélération

peuvent être utilisées.

274

3°) Exemple de relevé

f(Hz)

4°) Exemples industriels Vitesse (bobines mobiles) Accélération (Piézo

S = 4mV/m/s f = [4,5 , 2k] Hz = ±3% Sensonics

S = 4mV/m/s

f = [4,5 , 2k] Hz

= ±3%

VibraSens

275

5°) Sismomètre Un sismomètre est un appareil capable de détecter de très petits mouvements du sol et de les enregistrer en suivant une base de temps très précise (GPS). Il fonctionne sur le même principe qu'un oscillateur à masse d'inertie amortie et est constitué le plus souvent d'une masse et d'un bâti lié au sol. Un mouvement du sol va entraîner un mouvement du bâti, puis un mouvement relatif entre la masse et le bâti qui porte également le système d'enregistrements. C'est ce mouvement relatif qui est amplifié par un système mécanique, optique ou électronique, puis enregistré. Pour obtenir une bonne restitution de l'amplitude et du contenu spectral du signal d'origine, un sismomètre doit avoir une réponse quasi linéaire. Les enregistrements du mouvement de la masse en fonction du temps s'appellent le sismogramme. Un sismomètre contient trois sismomètres qui mesurent chacun dans une des directions des trois composantes orthogonales.

Sercel

276


277

XIX) CAPTEURS DE RADIATIONS ET RAYONNEMENTS NUCLÉAIRES 1°) Radiation et radioactivité

a) Définition

La radioactivité est le phénomène par lequel un noyau instable, dans l’état fondamental ou dans un état légèrement excité, émet spontanément une particule ou un rayonnement :

Particules Ce sont des fragments de noyaux d’hélium constitués de 2 protons et de 2 neutrons éjectés par ceux-ci en raison de leur instabilité. Ces rayonnements ont des énergies de quelques MeV, toujours bien définies, valeur typiques de l’énergie de liaison dans les noyaux. Ils ont 2 charges électriques et un pouvoir de pénétration faible dans la matière. Ils sont absorbés par 3 cm d’air ou par une feuille de papier. On comprend donc qu’ils sont souvent difficiles à détecter. Rayons Il s'agit cette fois d'électrons, particules 1800 fois plus légers que les protons ou les neutrons. Ces rayons sont dus à la transformation à l’intérieur du noyau de protons en neutrons ou de neutrons en protons. Leurs énergies se répartissent en un spectre continu et leur pouvoir de pénétration est plus grand. Il faut une épaisseur de 1 cm d’aluminium pour les absorber. On distingue la radioactivité - (électron) et la radioactivité + (positron ou antiparticule de l’électron)

Rayons Ce sont des rayonnements électromagnétiques comme la lumière ou les rayons X. Leur énergie est de l’ordre du MeV, soit 100 000 fois celle d’un photon. Leur pouvoir de pénétration est très grand. Il faut 5 cm de plomb ou 1 m de béton pour les arrêter.

278

Neutrons

Les neutrons sont très pénétrants. Ils interagissent plus ou moins avec les noyaux selon la substance traversée, provoquant d’autres réactions nucléaires et mais aussi par des chocs avec des noyaux légers (noyaux d’Hydrogène, par exemple) ou par des chocs avec des noyaux lourds. Ils ont en effet l'avantage d'être neutres, et donc de ne pas subir la répulsion du noyau lors de leur approche.

b) Modes de production

La fusion : deux nucléides légers de faible énergie de liaison qui

peuvent donner un nucléide plus lourd et possédant une plus grande énergie de liaison (bombe H, le soleil, …)

La fission : un noyau très lourd bombardé par un projectile (neutron très souvent) est brisé en deux morceaux plus légers et plus stables (bombe A, centrales nucléaires, …)

279

c) Lois de désintégration (demi-vie)

Soit N(t) le nombre d’atomes actifs (nucléides) au temps t : N(t) = N(0).e-.t, = constante radioactive (1,35.10-11 pour du radium 226)

On définit :

Activité = -λ.t -λ.td(N(t))A(t) = = λ.N(t) = λ.N(0).e = A(0).e

dt

Temps moyen (de vie) = A(t) 1t .dt =

N(0)

0τ =

Période (demi-vie) = temps au bout duquel N ou A ont perdu la moitié

de leur valeur =

Ln(2)T = = .Ln(2) = 0,639. .

280

Particules

Rayons

Rayons

281

d) Unités Objectives

Becquerel (Bq) = 1 désintégration par seconde

Curie (Ci) = 3,7.1010 désintégration/sec = 37GBq

Remarque : 1 Curie correspond à peu près à l’activité d’un gramme de radium (226Ra) à t = 0. Subjectives

Dose absorbée ou déposée (D) : énergie reçue par unité de masse

de la cible, en joules par kilogramme = grays (Gy), L'ancienne unité était le rad (1 Gy = 100 rad). On définit également un débit de dose, c'est-à-dire l'énergie absorbée par kilogramme et par unité de temps, mesurée en grays par seconde (Gy/s).

Dose équivalente (H) : pour laquelle chaque rayonnement doit être pondéré pour tenir compte de sa nocivité respective (dommages biologiques), unité = sievert (Sv). Lorsque le rad était utilisé comme unité de dose absorbée, l'unité de dose équivalente était le rem = 10mSv, acronyme de « röntgen equivalent man ».

Dose efficace (E) : somme pondérée des doses équivalentes H aux

organes et tissus irradiés. Elle rend compte du risque d'apparition de cancers. L'unité utilisée est également le sievert.

e) Quelques chiffres

dose individuelle due à la radioactivité naturelle (tellurique et

cosmique) : 1 à 5 mSv.an limite réglementaire pour le personnel des centrales nucléaires : 50 mSv.a limite réglementaire pour la population : 5 mSv.an dose reçue lors d’une radiographie pulmonaire : 20 μSv dose entraînant la mort dans les heures qui suivent: 100 Sv.

282

Dose (Sv) Effets sur l’humain 1000 Mort dans les minutes qui suivent 100 Mort dans les heures qui suivent 10 Mort dans les mois qui suivent 7 90% de mortalité dans les mois qui suivent

6 Troubles sanguins et digestifs graves, diarrhées et vomissements, risques de perforations intestinales

4 à 2,5 Nausées, vomissements, vertiges dès la fin de l’irradiation, modification de la formule sanguine, risques mortels élevés en cas d’infection

2 10% de mortalité dans les mois qui suivent

1,5 à 1

Troubles digestifs légers, épilation partielle, fatigabilité persistante (plusieurs fois), augmentation significative des cas de cancer, stérilité permanente chez la femme, stérilité pendant 2 à trois ans chez homme

À partir de 0,05

Modification de la formule sanguine

2°) Généralités sur les détecteurs On peut classer par familles :

a) Type d’interaction Détecteur d’ionisation

Détecteur d’excitation

b) Milieu utilisé

Détecteur à gaz

Détecteur à liquide Détecteur à solide

283

c) Information produite

Compteur et activimètre (nombre ou débit d’interactions)

Spectromètre (mesure de la distribution d’énergie) Dosimètre (mesure de l’énergie déposée)

3°) Détection à ionisation

a) Principe

Ces détecteurs détectent le passage d’une particule chargée en mesurant la charge totale des électrons et les ions produits dans l’ionisation du milieu par la particule. Le milieu peut être de gaz, liquide ou solide, chacun ayant ses avantages et ses applications. Pour récupérer les électrons et les ions avant qu’ils ne se recombinent en atomes, il faut la présence d’un champ électrique qui les sépare et les fait dériver vers les électrodes respectives.

284

Ces charges (électrons et ions) en dérive induisent un courant. Le nombre moyen de paires d’électron-ion produit dans un passage d’une particule chargée est donné par la formule de Bethe-Bloch :

i1 dE

N = . .d W dx

où d est l’épaisseur du détecteur, x = longueur du chemin et W l’énergie moyenne pour créer une paire d’électron-ion. Dans les gaz W 35 eV. b) Zones de fonctionnement Les charges détectées par l’amplificateur dépendent de plusieurs facteurs techniques, avant tout de la haute tension du champ électrique.

285

Zone I (zone de recombinaison, V < 100V) : quand le champ électrique (ou tension) entre les électrodes est trop faible, les électrons et les ions peuvent se recombiner en atomes tout de suite après qu’ils sont produits. Seule une petite fraction des charges d'ionisation est détectée.

Zone II (région ou chambre d’ionisation, 100 < V < 200V) : une fois que la tension est assez grande pour empêcher les recombinaisons, les charges d’ionisation dérivent presque intégralement vers les électrodes. On obtient un signal qui reflète la charge totale d’ionisation.

Zone III (région proportionnelle, 200 < V < 300V) : Apparition autour

du fil d'un processus interne d'amplification M (102 à 106), dû aux ionisations par chocs produits par les électrons fournis par les ionisations (avalanche de Townsend). L’amplitude de l’impulsion est proportionnelle au nombre de paires d’ions produites par le passage de la particule détectée, c’est le mode de fonctionnement des compteurs proportionnels. Les détecteurs opérant dans la région proportionnelle sont à gaz. L’avantage des chambres proportionnelles est qu’elles n’exigent pas d’électroniques d’amplification low noise.

Zone IV (région d’avalanche de Townsend, 300 < V < 500V) : d’autres

phénomènes plus complexes entrent en jeu, la proportionnalité devient limitée. Le comportement du milieu tend à ne plus dépendre de la particule détectée

Zone V (région Geiger-Müller, 500 < V < 1000V) : pour une tension supérieure à VG (seuil Geiger) la décharge électrique se propage sur tout le fil. Les énergies d'électrons d'ionisation primaires augmentent rapidement et ils excitent ou ionisent tout de suite d'autres atomes. Une avalanche d’électrons libres se produit. De plus, un grand nombre de photons sont produits dans le processus par désexcitation d’atomes. Ces photons initient aussi des avalanches d'ionisation par effet photoélectrique tout du long du fil d'anode où le champ électrique est le plus fort. Ces avalanches se développent très rapidement et la décharge produite est audible. C’est le principe du compteur Geiger.

286

La décharge ne s’interrompt que lorsque la charge d’espace formée par la gaine d’ions positifs autour de l’anode diminue suffisamment le champ électrique autour de celle-ci pour que le processus de la multiplication ne puisse plus continuer. Pendant ce temps le détecteur n’est plus sensible à toute ionisation primaire, jusqu’à ce que les ions aient migré suffisamment loin de l’anode. C’est l’origine du temps mort dans le compteur de Geiger. Dans une décharge, le courant d’anode est saturé. L’amplitude du signal est donc indépendante des charges primaires. On ne peut pas utiliser les compteurs Geiger pour mesurer l’énergie, mais on peut les utiliser pour mesurer le taux de radiation des particules, même de faibles énergies. Le taux maximal est limité par le temps mort.

Zone VI (région de décharge) :

Augmenter le champ au-delà de la région Geiger (> 1000V) entraîne une décharge continue, le passage de la particule s’accompagne de l’apparition d’étincelles Un détecteur n’est plus utilisable s’il se trouve dans cette région.

287


À chambre d’ionisation (Camberra)

Proportionnel (EMS)

D= [0,01, 1000] mGy/h S = 4,8.10-12 A/mGy/h = 7%

H= [10n, 1] Sv/h E = [30k, 1,3M] eV = 5%

288

Compteur Geiger (LND Inc)

Courbe de réponse d’un tube Geiger

D = [10-4, 10] mGy/h S (60CO) = 90 pulse/mn/Rem/h Temp mort = 90µs = 0,06%

289

4°) Détecteur à scintillations

a) Principe

Dans un scintillateur, les électrons primaires produits par l'ionisation entraînent la formation de photons, souvent dans le domaine du visible.

Certains milieux transparents émettent une petite quantité de lumière en désexcitation après avoir été excités par une particule chargée (fluorescence). Ces photons peuvent être détectés par un dispositif photosensible si le milieu est transparent dans le domaine de longueur d’onde correspondant au moins à certains de ces photons. Il existe divers milieux qui satisfont à cette condition de transparence :

Scintillateurs organiques (plastique, liquide, cristal)

Les scintillateurs inorganiques (cristal) : NaI(Tl), CsF2, BGO, … Le plus connu est l'iodure de sodium NaI, dopé au thalium Th.

Dans un cristal, les niveaux d'énergie sont répartis dans une bande de valence et dans une bande de conduction, en général vide de tout électron. Dans un cristal ionisé, ces deux bandes sont très éloignées d'un point de vue énergétique et sont séparées par une bande dite interdite (cristal non conducteur). Le passage d'une particule ionisante va porter plusieurs électrons dans la bande de conduction; ceux-ci rejoignent alors la bande de valence en émettant des photons visibles. Le nombre de photons émis est proportionnel à l'énergie déposée par la particule ionisante.

290

Il existe également des scintillateurs à gaz (Xe, Ar, Ne), l'émission des photons se fait plutôt dans l'ultraviolet. b) Récupération des photons

On utilise un photomultiplicateur, voir chapitre V-2. c) Système complet

Principe

291

Courbe de réponse

d) Exemple industriel (Ortec)

E = [80k, 1,2M] eV S (135Cs) = 900 pulse/mn/µR/h

292

5°) Détecteur à semi-conducteur

a) Principe Dans une jonction PN polarisée en inverse existe une zone dépeuplée de porteurs de charge qui va se comporter comme une chambre d'ionisation. Au lieu d'exciter ou ioniser le milieu, une particule chargée traversant un semi-conducteur crée des paires d'électrons-trous quasi libres. Il faut seulement à peu près 3 eV pour en créer une centaine de paires (comparé à 30 eV en gaz pour une ionisation).

Les charges ainsi créées peuvent être détectées en appliquant un champ électrique, comme dans d’autres types de détecteurs d’ionisation. Sous l’effet d’un rayonnement ionisant les porteurs libérés vont créer une impulsion dont l’amplitude sera proportionnelle à l’énergie perdue par la particule ionisante dans le détecteur avec une excellente linéarité et un temps de réponse de l’ordre de la nanoseconde.

293

La technologie utilisée a pour but de minimiser l'épaisseur de semi-conducteur à traverser avant d'atteindre la zone utile et d'augmenter au contraire la largeur de la zone de déplétion à l'interface, ce qui sera obtenu via un matériau peu dopé et une tension inverse élevée. b) Exemples industriels

Eurorad

Caméra (Médecine nucléaire)

E = [60k, 1,5M] eV S (135Cs) = 300 pulse/s/Rad/h

295

XX) CAPTEURS CHIMIQUES 1°) Généralités À la différence des grandeurs physiques (P, T, F, etc.), les grandeurs chimiques (concentration, activité, composition, vitesse de réaction, pH, potentiel d’oxydoréduction, etc …) subissent beaucoup plus l’influence d’autres paramètres du milieu (effet de matrice). 2°) Classification

3°) Principe général Un transducteur chimique (ou biochimique, physicochimique) permet la traduction de la concentration d'une espèce chimique en une grandeur physique. Ce dispositif est constitué d’une partie de reconnaissance (détecteur) couplée à un système de transduction, qui transforme le processus de reconnaissance en un signal électrique.

Synoptique d’un capteur chimique

296

Analogie

4°) Principe de base d’un capteur On se référera au chapitre XXVI-1 & 2 pour plus de détails. Les processus de reconnaissance sont de deux types :

Les systèmes d’affinité, dans lesquels il y a interaction spécifique entre le spécimen X à détecter et le site de reconnaissance Sa, d’où formation du complexe XSa :

X + Sa ↔ XSa

La formation de ce complexe entraîne la modification d'un paramètre physique de la partie de reconnaissance (masse, charge électrique, propriétés optiques, ...) qui peut être facilement transformée en signal électrique. Les techniques reposant sur ce principe sont par exemple, les capteurs électrochimiques (électrodes spécifiques ISE ou transistors ISFET).

Les systèmes catalytiques sont représentés par les réactions :

X + Sc ↔ XSc → Sc + P

où Sc est le site de reconnaissance catalytique et P le produit de la réaction catalytique. Le site de reconnaissance catalytique permet la transformation de l’espèce X en produit P, le site catalytique étant à la fin totalement régénéré. Parmi ces techniques, on peut citer l’oxydation dans l’air de gaz combustibles sur la surface d’un oxyde semi-conducteur (oxyde d’étain) ou d’un métal noble (platine, palladium).

297

5°) Capteurs électrochimiques On mesure un signal électrique généré entre les bornes de deux électrodes, dû à la réaction d'oxydoréduction de l'espèce à détecter. Selon le paramètre mesuré, il s’agit de capteurs voltamétriques ou volt ampéremétriques (variation de tension et de courant), ampérométriques (variation de courant), potentiométriques (variation de tension) ou conductimétriques (variation de conductivité). Cette famille de capteurs recouvre plusieurs techniques :

les électrodes enzymatiques

les oxydes à haute température (sondes zircones)

Les capteurs à conductivité de surface

les piles à combustible

etc

Le dispositif le plus simple est constitué par une cellule électrochimique. Elle comprend une membrane semi-perméable jouant un rôle de barrière de diffusion, un électrolyte et deux électrodes entre lesquelles est appliquée une différence de potentiel. L’électrolyte peut être liquide, gel ou solide.

Exemple : KCL = électrolyte, membrane pour oxygène L'absorption du composé à détecter donne lieu à une réaction électrochimique spécifique, ce qui induit une force électromotrice liée au transfert de charge entre ce composé et la cellule de mesure.

298

6°) Arbre des méthodes de mesure

299

XXI) CAPTEURS CHIMIQUES EN PHASE AQUEUSE 1°) Potentiométrie Le terme de potentiométrie ou potentiométrique se rapporte à potentiel !!!

a) Principe Il constitue l’essentiel des capteurs à électrodes sélectives (ISE = Ion Selective Electrode) qui utilisent la propriété des matériaux qui les constituent à pouvoir échanger des éléments chimiques (ioniques ou moléculaires) avec le milieu analysé. On mesure à courant nul la différence de potentiel qui apparaît entre l'ISE et un point (électrode) de référence :

Principe de la mesure potentiométrique

Cela permet d’en déduire la concentration en ion X, aX = a(X) en mg/L ou en mol/L, parfois exprimée en échelle log :

pX = - log(aX)

Le développement complet de la méthode est détaillé au paragraphe 3.

300

b) Classification des ISE

Un métal recouvert d’un de ses sels peu solubles, l’ensemble plongeant dans un électrolyte contenant l’anion correspondant au sel

Un métal plongé dans une solution d’un de ses sels

Une électrode de métal inaltérable (Pt par exemple) plongeant dans une solution de sels d’un élément possédant deux nombres d’oxydation différents

c) Types de membranes

Membranes en verre (vitreuses)

Membranes en verre oxyde (silicate ou chalcogénure). Le silicate a une bonne sélectivité les ions H+, Na+ et Ag+, le chalcogénure pour les ions métalliques double chargés comme Pb2+ et Cd2+.

Elles ont une excellente résistance chimique et peuvent travailler dans des milieux très agressifs comme l'électrode de pH.

Membranes inorganiques cristallines Membranes mono ou polycristallines. Elles ont une bonne sélectivité parce que seuls les ions qui peuvent rentrer dans la structure cristalline interférent avec l'électrode.

Fonctionnent à la fois pour des cations et des anions de la substance formant la membrane comme le fluorure de lanthane (LaF3) pour du F-

Membranes polymères Membranes en polymères organiques (PVC, polysiloxanes, polyuréthanes, …). L'utilisation de polymères spécifiques permet la réalisation d'électrodes sélectives pour des dizaines d’ions différents, à la fois simple ou multi atomes. Elles sont les plus répandues pour les anions. Toutefois, ces électrodes ont une faible durée de vie physicochimique.

Un exemple est la valinomycine utilisée pour K+.

301

d) Principaux ions détectés

Cations : Br-, Cl-, Cl04-, CN-, F-, NO3

-, S2-

Anions : Ag+, Ca2+, Cd2+, Cu2+, K+, Li+, Na+, NH4

+, Pb2+

e) Exemples et applications

Domaine Ions Utilisation

Agriculture Cl-, CN-, F-, I-, NO3-, Ca2+, K+, NH4

+ Sols, engrais Alimentation Ca2+ Produits laitiers et bière Alimentation Cl- Teneur en sel Alimentation F- Eau potable et boissons Alimentation K+ Jus de fruits et vin

Alimentation NO2-, NO3

- Conservateur viande, boîte de conserve

Environnement F-, Ba2+, Ca2+ Détergent Environnement Cl-, F-, NO3

- Explosif Environnement Cl-, S2- Pâte et recyclage papier Environnement Cl-, CN-, F-, NO3

-, S2- Pollution eau

Industrie Cl-, F-, S2- Bains de décapage et d’anodisation

Médical Cl, Ca2+, K+ Analyse fluides corporels Médical F- Dentaire et autopsie

f) Exemple industriel (Nico2000)

aCa2+ [0,5.10-3 , 4000] mg/L

S = 30mV/pCa = ±0,3%

302

2°) Potentiométrie miniature (ISFET)

a) Principe

L’ISFET, appelé aussi ChemFET, a été inventé par Bergveld en 1970, est un dispositif à semi-conducteurs qui combine une membrane chimiquement sensible et un transistor MOS. La membrane joue le rôle de filtre et ne laisse passer que les ions X. Grâce à sa petite taille, on obtient une réponse rapide et robuste.

Pour un MOS en zone ohmique, on a ID = K.[VDS.(VGS-VTH) - 21 . V2

DS]

Les ions qui traversent la membrane vont modifier la tension de seuil : VTH(ISFET) = VTH(MOS) - VTH(X)

VTH(MOS) = seuil du transistor MOS seul

TH(X) XR.T

V = E + .Ln(a )n.F

E = constante chimique F = constante de Faraday = 96 485 C⋅mol-1

R = constante universelle des gaz parfaits = 8,314472 J⋅mol-1⋅K-1 T = température absolue, en Kelvin n = charge de l’ion aX = concentration en ions X

303

b) Membranes

Nitrure de silicium (Si3N4) Oxyde d’aluminium (Al2O3). Oxyde de tantale (Ta2O5). Oxyde d’étain (SnO2). Oxyde de tungstène amorphe (WO3). Oxyde de zirconium [ZrO2]. Silicium amorphe hydrogéné Si:H. Carbone structure diamant (DLC). Oxynitrure de silicium (SiOxNy).

c) Exemple industriel

3°) Mesure de pH par potentiométrie

a) Notion sur le pH

Définition

pH = - log(aH+) où aH+ = a(H+) est l’activité au sens concentration des ions hydrogène H+. Malheureusement, cette formule ne permet pas de calculer ou de mesurer directement le pH, car elle dépend de l'activité de H+ dépendante elle-même de l'influence du solvant, de la nature de l'ion, de sa vigueur, de la température, etc ...

aK- [40.10-4 , 40] mg/L

S = 58mV/pK = ±0,1%

304

Loi de Nernst

s X(E - E ).FpH(X) = pH(S) +

R.T.Ln(10)

pH(X) = pH de la solution inconnue pH(S) = pH tabulé de la solution de référence S EX = fem de la cellule avec la solution inconnue X ES = fem de la cellule avec la solution de référence S à la place de la solution X F = constante de Faraday = 96 485 C⋅mol-1

R = constante universelle des gaz parfaits = 8,314472 J⋅mol-1⋅K-1 T = température absolue, en Kelvin

Il suffit donc de mesurer la différence de potentiel E = ES - EX entre une électrode sensible à l'activité des ions hydrogène et une électrode de référence, comme une électrode au calomel ou une électrode de chlorure d'argent. Très souvent, l'électrode de verre est combinée avec l'électrode de référence et un capteur de température en un seul corps. L'électrode de verre peut être décrite (à 95 à 99,9% de précision) par l'équation de Nernst.

305

Échelle des pH

b) Sonde pH électrochimique

Principe

Un potentiel électrique se développe quand un liquide est mis en contact avec un autre, mais une membrane est nécessaire pour maintenir ces liquides séparés. L'électrode sensible au pH se compose d’une membrane de verre mince dont l'extérieur est en contact avec la solution à tester. La surface intérieure de la membrane de verre est exposée à une concentration constante d'ions hydrogène (0,1 mole de HCl) et un fil d'argent revêtu de chlorure d'argent est immergé dans la solution de HCl.

306

Cette électrode est appelée électrode Ag/AgCl. Elle transporte le courant à travers la réaction de demi-cellule. Le potentiel entre l'électrode et la solution dépend, de la concentration en ions chlorure, mais comme elle est constante, le potentiel d'électrode est également constant. L'électrode de référence doit satisfaire aux exigences de base suivantes :

Le potentiel développé devrait être indépendant de H+

Le potentiel développé devrait être indépendant de la température

Le potentiel développé ne devrait pas changer avec le temps.

Considérant toutes ces exigences, deux types d'électrodes de référence, sont couramment utilisés : Calomel ou Kalomel (Hg2Cl2) argent - chlorure d'argent.

Exemple de réalisation Parfois, la référence et l’électrode de mesure sont logées dans le même tube. Ce type d'électrode est connu sous le nom d’électrode combinée (sonde). L'électrode de référence utilisée dans ce cas est en argent/chlorure d'argent.

307

Sonde combinée : principe & constitution

Exemple industriel (WTW)

S = 59mV/pH tr = 10s = ±0,1%

308

c) Sonde pH ISFET Le matériau de la membrane est choisi pour ne laisser passer que les ions H+.

Courbes

Compensation électronique en température

Bloc a = capteur, bloc b = mesure de la température, bloc c = soustracteur

309

Influence de la compensation en température

310

Exemple industriel (Jumo)

d) Fibre optique

Voir chapitre XXII-11-b 4°) Conductivité

a) Principe

Cellule plongée dans un milieu aqueux La conductance d'un corps (inverse de sa résistance) obéit à l'équation suivante:

.SG =

d

G = conductance (S) : conductivité (S.m-1) S = surface des électrodes (m2) d = distance entre les deux électrodes (m) k = d/S = constante de la cellule (m-1)

S = 50mV/pH tr = 0,2s = ±0,1%

311

Soit = conductivité molaire = /aX où aX est la concentration molaire en ions (mg/L ou mol/L). F. Kohlrausch en 1874 montra que 0 X = - K. a avec : 0 = conductivité molaire pour une dilution infinie (aX = 0) K = constante dépendant de la solution aqueuse Il suffit donc de mesurer R = 1/G = V/I pour en déduire ax. Cette mesure ne s'effectue pas en courant continu, car les électrodes se polariseraient comme en potentiométrie et cela fausserait les résultats : on utilise donc un courant alternatif (50Hz à quelque 10kHz). Pour avoir de bons résultats, il faut adapter la fréquence à la solution à analyser : plus la conductivité est élevée, plus la fréquence doit l'être aussi. Pour des solutions à conductivité faible, on choisit une surface grande par rapport à la distance inter-électrodes et l'inverse pour des conductivités élevées. Il existe beaucoup de capteurs différents, mais cette différence repose quasi uniquement sur leur géométrie, leur choix est donc orienté en fonction du milieu à mesurer. b) Types de cellules

2 pôles

On applique un courant alternatif entre les deux plaques et on mesure le potentiel qui en résulte. L’objectif est de mesurer la résistance de la solution (Rsol). Malheureusement, cette mesure va être faussée, car une résistance (Rel) due à la polarisation de l’électrode et à l’effet de champ interfère et, de ce fait, on va mesurer R = Rsol + 2.Rel. 4 pôles Dans une cellule à 4 pôles, un courant est imposé aux deux anneaux externes (1 et 4) de façon à créer une différence de potentiel constante entre les anneaux internes (2 et 3). Comme le potentiel va être mesuré en présence d’un courant négligeable, les deux électrodes ne sont pas polarisées. La conductivité est directement proportionnelle au courant imposé. Les cellules doivent être étalonnées

312

Elles intègrent souvent un capteur de température, type Pt100. c) Exemples de conductivité de solutions

Type de solution Conductivité (µS/cm)

Eau pure 0,055 Eau déionisée 1 Eau de pluie 50 Eau potable 500 Eau de rejet industrielle 5.103

Eau de mer 50.103

NaCl 1 mol/l 85.103 HCl 1 mol/l 332.103

d) Utilisations et choix de la cellule

313

e) Conductimètre

fr = 94 Hz pour les gammes 4,000μS et 40,00μS fr = 46,9 kHz pour les gammes 400,0mS et 2,000S

Principe de la mesure de la conductivité

f) Exemple industriel

2 pôles (ABB)

4 pôles (Radiometer Analytical)

[10 , 20000] µS K = 0,1 = ±0,5%

[10-2, 1000] µS K = 1 = ±0,2%

314

5°) Ampérométrie

a) Principe

On mesure I = f(aX) en fixant le potentiel V, méthode qui découle de la polarographie.

L'intensité est fonction de la tension imposée mais aussi des espèces chargées présentes dans la solution. La détermination de la concentration d'un élément est possible après un étalonnage si l'on connaît les autres éléments présents dans la solution et leur participation à l'électrolyse. L'intensité traversant la solution est alors proportionnelle à la concentration dudit élément :

I = n.F.m0.S.aX = K.ax m0 = coefficient de transfert de la solution F = constante de Faraday = 96 485 C⋅mol-1

Généralement les courants mesurés varient entre le picoampère et le microampère, ils dépendent de la tension appliquée, de la solution, de la température et des électrodes ainsi que de leur état de surface.

315

Exemple de mesure b) Cellule de Clark

L'ampérométrie est très utilisée pour la mesure de l'oxygène dissous dans l'eau. Un potentiel de 650mV est imposé entre la cathode de platine et l’anode d'argent recouverte de chlorure d'argent : il y a réduction à l'anode de l'oxygène dissous, ainsi le courant est directement proportionnel à la quantité d'oxygène réduit :

O2 + 2H+ + 2e- __________> H2O2

316

c) Type d’ions mesurés

d) Chambre d’injection Permet une mesure en flux continu

Principe

317

Exemple e) Exemples industriels

Ion Chore (BAMO Mesures)

Ion Oxygène (Endress & Hauser)

ACl- [0,01 , 100] mg/L K = 30 µA/mg/L = ±0,05%

ACl- [0,02 , 60] mg/L K = 5 µA/mg/L = ±0,5%

319

XXII) CAPTEURS CHIMIQUES EN PHASE GAZEUSE 1°) Généralités

a) Choix de la méthode

320

b) Principe commun

CI = Interface chimique

TI = transducteur

Principe général

Différents modes de transduction

322

2°) Ampérométrie à électrolyte liquide

a) Principe

Reprend le principe détaillé au paragraphe XXI-5.

Types d’électrolyte : Pt, Au

Types de gaz mesurés : H2, O2, O3, CO, H2S, SO2, NOx , NH3 , N2H3 (hydrazine ou diazine)

Principe : hydrogène Constitution

b) Exemple industriel (Figaro Engineering)

O2 concentration [0 , 100] % S = 2,5mV/% = ±1%

323

3°) À électrolyte solide

a) Potentiométrie ou pile

Principe

Reprend le principe du capteur de pH potentiométrique (XXI-3). Le capteur travaille d'une manière similaire à une pile. Lorsque le gaz cible est présent, une petite charge électrique est générée chimiquement entre les deux électrodes. La tension recueillie est proportionnelle à la concentration : équation de Nernst à l'équilibre.

La membrane et le matériau des électrodes sont choisis en fonction du gaz à mesurer.

Types d’électrolyte : YSZ, -Alumine, Nasicon, Nafion

Types de gaz mesurés : O2, H2, CO2, CO, NOx, SOx, H2S, Cl2, H2O, HCs, HCI, HCN

Exemple : capteur O2

324

Exemple industriel (Figaro Engineering)

b) Ampérométrie

Principe

Même principe qu’au paragraphe 2 mais avec de l’électrolyte solide.

Principe de base (alcool) Exemple de réalisation (oxygène)

Types d’électrolyte : YSZ, LaGaO3, -Zirconium, Nasicon, Nafion

Types de gaz mesurés : OH, O2, H2, CO, NOX, SO2, H2S

CO2 [350 , 5.104] ppm S = 3µV/ppm = ±10%

325

Exemple industriel (Winsen)

4°) GasFET

a) Principe

Ce capteur fonctionne sur le principe que la tension de seuil du MOSFET capteur change grâce à l'interaction du gaz avec la grille constituée d’un métal catalytique tel que le platine (Pt), palladium (Pd), l'iridium (Ir) ou d’un polymère carboné :

VTH(GasFET) = VTH(MOS) - VTH(X)

VTH(MOS) = seuil du transistor MOS seul VTH(X) = aX.p/0 avec aX = concentration et p = moment du dipôle du gaz

Types de gaz mesurés : H2, NH3, H2S, NOx, CO2, SO2

H2 [0, 1000] ppm S = 0,03µA/ppm = ±20%

326

b) Exemple industriel (DETCON)

5°) Catalytique

a) Principe

Il se compose d'un élément de détection appelé perle (Bead, Pellistor ou Siegistor) réalisée avec une bobine de fil très fin de platine chauffée, incorporée dans une pastille de céramique (alumine), le tout recouvert d'un revêtement extérieur en métal noble (palladium, rhodium), qui, lorsqu'il est chaud, agit comme un catalyseur. La bobine est chauffée par un courant (circuit externe). En présence d'un gaz ou de vapeur inflammable, le catalyseur chaud permet de produire une oxydation dans une réaction chimique similaire à de la combustion. Cette réaction libère de la chaleur qui provoque l’augmentation de la température de la bobine. Cette hausse de température est directement proportionnelle à la concentration de gaz. La résistance de platine va donc augmenter, elle aussi, proportionnellement (voir chapitre I-1) et sera donc image de la concentration en gaz dans l'atmosphère environnante.

Constitution

H2 [0, 100] ppm S = 0,2mV/ppm = ±5%

327

Exemple de réalisation (Méthane)

Types de gaz détecté : NH3, CH4, CxHY, CXH6O, composé organique volatile (COV)

b) Conditionneur Un capteur complet comprend toujours 2 perles :

Élément actif (avec catalyseur)

Élément passif (sans catalyseur)

328

On utilise un pont de Wheatstone pour récupérer une tension.

Conditionneur en pont

c) Exemple industriel (General Monitors)

CH4 [0, 10000] ppm S = 3µV/ppm = ±5%

329

6°) Catharométrique

c) Principe

C’est la méthode de mesure la plus ancienne (1880). Elle repose sur la variation de la conductivité thermique k du mélange gazeux qui entoure le capteur.

Gaz CH4 CO CO2 H2 He N2 NH3 O2

k (10-5.cal/cm/K)

7,2 5,6 3,4 41,6 34 5,8 5,2 5,9

D'autre part, la conductivité thermique des mélanges binaires varie souvent de façon linéaire avec leur composition. La méthode consiste donc à comparer la conductivité thermique des mélanges à analyser à celle d'un gaz de référence.

L’élément est chauffé par effet Joule. La température à laquelle il se stabilise dépend de la puissance fournie et des échanges thermiques avec le milieu gazeux.

Principe

Lorsque la composition du mélange varie, sa conductivité thermique est modifiée ce qui a pour conséquence une variation de la dissipation d’énergie de l’élément. Cela entraîne une variation de la température qui

330

est mesurée au moyen de la résistance électrique de l'élément (point rouge), en général en platine ou en tungstène. Souvent, un élément compensateur dans le gaz de référence est présent pour réduire l’influence des fluctuations de la température extérieure. Cette méthode est aussi appelée « méthode à fil chaud ».

Vue 3D Coupe

Schéma électrique équivalent

Types de gaz détecté : He, H2, COx, N2, CH4

331

d) Exemple industriel (Oldham)

7°) MOX (Metal Oxyde)

a) Principe

Le principe de fonctionnement des capteurs à oxydes métalliques est basé sur la variation de la conductivité électrique d’une couche sensible chauffée à haute température (300°C - 500°C) en présence de gaz. Il est constitué :

d’un système de chauffage et de mesure qui a pour but d’amener la

couche sensible à la température adéquate. Ce système comprend principalement un élément chauffant (ou heater) de type résistif et des électrodes nécessaires à la mesure des variations de conductivité.

D’une couche d’oxyde métallique qui va réagir avec les gaz. On peut remplacer l’oxyde métallique par du polymère conducteur.

Principe

H2 concentration [0 , 100] % S = 2/% = ±1%

332

Schéma électrique

Constitution

333

b) Loi de variation

Peut être modélisé par S XR = K.a où K dépend du gaz et du matériau.

335

d) Type de gaz détecté

336

337

e) Exemple industriel (SYNKERA)

8°) À onde de surface (SAW)

a) Principe

Le capteur comporte deux paires d’électrodes interdigitées déposées sur un matériau piézo-électrique, l’une pour l’excitation des ondes (émetteur), l’autre pour leur détection après propagation (récepteur).

Des ondes de surface apparaissent et sont issues de déformations mécaniques à l’interface solide-air. L'onde la plus étudiée est celle de Rayleigh, car elle a une polarisation elliptique due à la présence de deux composantes de déplacement (normal et parallèle à la surface). Elle se propage le long de la surface du cristal à une profondeur égale à la longueur d'onde des fréquences de fonctionnement (qq 100MHz).

NF3 [5, 50] ppm S = 2k/ppm = ±5%

338

Le dispositif est complété par le dépôt d’une couche spécifique (membrane, gas sensitive layer) sur le trajet de l’onde entre les deux électrodes, qui permet l’adsorption du gaz désiré.

Cette adsorption provoque une variation de la propagation de l’onde et donc de la fréquence de résonance :

f = fp.ax.Kp/p

où fp est le changement de fréquence causé par la membrane, ax la concentration, K est le coefficient de partage, p est la densité de la membrane.

340

341

c) Conditionneur Le capteur comporte 2 ensembles émetteur-récepteur :

Un de référence Un de mesure

Cela permet d’avoir une compensation en température automatique.

L’écart de fréquence est donné par :

2

20 s

f

kκ.

2Δf =

f υ.(ε + ε )1 +

σ

= largeur du film K = coefficient de couplage piézo-électrique du substrat = vitesse de l’onde S = constante diélectrique du substrat f = conductivité du film

Conditionneur

342

d) Exemple industriel (MSA)

9°) Microbalance (QCM)

a) Principe Il fonctionne sur le même principe que le SAW (voir §8). Une onde tridimensionnelle se déplace à travers la masse entière du cristal. Une membrane, souvent en polymère, est déposée sur la surface du cristal et cette couche adsorbe le gaz auquel elle est exposée ce qui se traduit par une augmentation de sa masse.

COCl2 [10-2, 100] ppm S = 100kHz/ppm = ±1%

343

Cette augmentation de la masse modifie la fréquence de résonance du quartz :

20-2.f

Δf = .ΔmS. ρ.μ

f0 = fréquence d’oscillation à vide = [1, 30] MHz S = surface active = densité du cristal = module de cisaillement du cristal b) Gaz détectés

344

c) Exemple industriel (QCM Research)

10°) Capacitif

a) Principe L'élément capteur est conçu comme un condensateur à plaques parallèles composées de chevauchement couches métalliques avec un polymère chimiquement sensible utilisé pour le diélectrique. En négligeant la capacité de bord, la capacité du capteur est donnée par : Cs = εpoly.S /e εpoly = permittivité du diélectrique e = épaisseur moyenne de polymère S = surface de recouvrement des plaques (électrodes).

Coupe

Lorsque le capteur est exposé au gaz cible, le polymère l’absorbe ce qui provoque un gonflement (augmentation de e) et une augmentation de la permittivité : e = e0.(1 + Q.g) et εpoly = εpoly0 + g.[(g -1) – Q.( poly0 -1)]

CH4 [10-2, 100] ppm f0 = 3Mhz S = 2.10-7 (Hz/g).cm3

= ±2%

345

avec : e0, εpoly0 = épaisseur, permittivité du diélectrique sans présence de gaz g = fraction volumique du gaz dans le diélectrique g = permittivité du gaz Q = facteur de gonflement

Les effets de gonflement du polymère et le changement de la permittivité sur la variation de la capacité du capteur peuvent mutuellement s’annuler. Pour éviter cette situation, le polymère est soigneusement choisi de telle sorte que le gonflement est maximisé pour le gaz cible. La permittivité du polymère sélectionné doit être aussi petite que possible pour une sensibilité maximale.

Principe et réalisation

Types de gaz mesurés : CO2, NH3, ClO2, HNO3, CXHY

b) Exemple industriel (VAISALA)

NH3 [0, 1000] ppm S = 0.1pF/ppm

= ±5%

346

11°) Optique

a) Généralité

Il ne s’agit en général pas de capteurs utilisant des principes chimiques. Deux techniques sont utilisées : Interactions entre le rayonnement et la matière du type spectroscopie

d’absorption ou d’émission. Modifications du rayonnement par son passage à travers différents

milieux. Il n’y a pas alors directement interaction entre le rayonnement et l’espèce chimique à analyser.

b) Fibre optique

Principe

La partie principale est constituée par une fibre optique. Celle-ci est classiquement constituée d’un cœur en silice d’indice optique n1, entourée d’une gaine d’indice légèrement inférieur n2, le milieu ambiant ayant un indice n0. Les conditions de guidage de la lumière sont définies par :

n0

2.sin2(max) = n12 - n2

2 max = angle limite d’injection de la lumière

À l’interface cœur-gaine, une faible partie de la puissance lumineuse est perdue dans la gaine, c’est l’onde évanescente. La puissance perdue dépend en particulier de l’indice de la gaine. Les capteurs chimiques à fibres optiques sont de deux types :

347

Les capteurs extrinsèques ou optrodes, où l’élément sensible (matériau spécifique) se trouve au bout de la fibre, celle-ci ne sert donc qu’à la transmission du rayonnement :

Un matériau spécifique se trouve au bout de la fibre, c’est en général une substance dont l’absorption varie en présence de l’espèce à détecter ou qui présente des propriétés de fluorescence ou de phosphorescence qui sont modifiées en présence de l’espèce à détecter. Une fibre amène la lumière excitatrice, une seconde fibre transporte le signal émis par le matériau spécifique à une longueur d’onde qui peut être celle de la lumière excitatrice (absorption) ou qui peut être différente (fluorescence, phosphorescence).

les capteurs intrinsèques, où la surface de la fibre constitue

elle-même l’élément sensible :

Un matériau spécifique constitue la gaine de la fibre. Il s'agit en général d'un polymère ayant des propriétés d'absorption spécifiques pour le gaz à détecter. Le gaz absorbé modifie l’indice optique du matériau spécifique et la puissance lumineuse transmise par la fibre.

Capteur très intéressant pour la détection déportée dans des endroits dangereux (explosifs, radioactifs, ...), ainsi que dans des endroits avec de fortes perturbations électromagnétiques.

348

Types de gaz mesurés : O2, H2O2, CXHY, C2H6O2, CH2Cl2

Il existe aussi des capteurs de pH fonctionnant sur ce principe.

Instrumentation

Exemple industriel (Ocean Optics)

O2 [0, 1000] ppm S = 0.1pF/ppm

= ±5%

349

c) Détecteur à infrarouge Principe

De nombreux gaz possèdent des bandes d’absorption dans la zone infrarouge du spectre lumineux électromagnétique. Le principe de détection repose sur l'interaction entre un rayonnement électromagnétique infrarouge et le gaz. Celui-ci absorbe de l'énergie à une longueur d'onde bien déterminée (liaisons C-H), qui dépend de l'énergie de vibration de ses molécules. L'atténuation d'énergie du rayonnement infrarouge est mesurée, elle est fonction de la concentration de gaz présente sur le trajet optique, suivant la loi de Lambert Beer :

X-α(λ).a .LA = e () = coefficient d’absorption du gaz aX = concentration du gaz L = longueur du trajet optique

Exemple d'absorption

350

L’exemple ci-dessous montre à gauche la lumière recueillie à travers un filtre en l’absence de gaz et à droite l’influence des molécules de gaz qui atténuent la lumière transmise. La mesure de cette atténuation A permet d’en déduire la concentration en gaz aX.

Types de gaz mesurés : CXHY, CO2

Constitution

351

Exemple industriel (DET-TRONICS)

C3H8 [0, 100] % LEL S = réglable

= ±1%

352

12°) Photo-ionisation (PID)

a) Principe

Une pompe prélève le gaz à mesurer. Le flux est amené dans une chambre d'ionisation équipée d'une lampe ultraviolette et de 2 électrodes soumises à une forte différence de potentiel (production d'un champ électrique E). Sous l'effet du rayonnement, les molécules dont le potentiel d'ionisation PI est inférieur à l'énergie de la lampe sont ionisées. Les ions ainsi obtenus sont collectés sur la cathode et un courant est créé, directement proportionnel au nombre d'ions formés et donc aux molécules ionisées.

353

Exemple de potentiel d’ionisation

Types de gaz mesurés : quasiment tous

355

c) Exemple industriel (Alphasense)

13°) Paramagnétique

a) Principe Lorsqu'un gaz est placé dans un gradient d'induction magnétique B, il est soumis à une force parallèle au champ dont le sens et l'intensité dépendent de sa susceptibilité magnétique :

2

0

dF = .dV.grad(B )2.

µ0 = perméabilité du vide V = volume de gaz

La plupart des gaz sont diamagnétiques ( négatif). Quelques gaz tels que l'oxygène, le monoxyde et le dioxyde d'azote possèdent au moins un électron célibataire et sont paramagnétiques ( positif).

Gaz O2 NO NO2 H2 N2 CO CO2 Ar CH4

rel 100 45 4 - 0,12 - 0,36 - 0,35 - 0,63 - 0,58 - 0,37

Susceptibilité relative à 25°C

C3H8 [0, 100] % LEL S = réglable

= ±1%

356

Lorsqu'un mélange gazeux est placé dans un champ magnétique, celui-ci n'agit pratiquement que sur les gaz paramagnétiques. De plus la variation thermique de leur susceptibilité magnétique est inversement proportionnelle à la température. En se basant sur ces deux propriétés des gaz paramagnétiques, deux types de capteurs commerciaux ont été développés pour le dosage de l'oxygène : d) Magnétodynamique

Dans une chambre en acier, parcourue par le gaz à analyser, un champ magnétique non uniforme est créé par des pôles de section triangulaire. Un haltère, constitué de deux bulles de quartz de 2 mm de diamètre et remplies d'azote, est suspendu à un fil de silice portant un miroir. Chaque sphère est dans l'entrefer de l'aimant. Si le gaz contient de l'oxygène, celui-ci est attiré vers le champ magnétique le plus intense, ce qui déplace les sphères qui tournent autour du fil de suspension

357

jusqu'à ce que la force ainsi exercée soit équilibrée par le couple de torsion. Un rayon lumineux réfléchi sur le miroir transmet la position angulaire de l'équipage tournant. La position, image de la concentration en O2, est récupérée au moyen d’un capteur optique.

Électronique associée

e) À convection thermomagnétique (Thermo-paramagnétique)

358

Lorsque le gaz analysé est chauffé à l'intérieur même d'un champ magnétique, l'oxygène chaud devenant moins magnétique est chassé par le flux d'oxygène froid qui s'échauffe à son tour, il y a création d'un "vent magnétique". Un petit tube parfaitement horizontal réunit les deux branches de la chambre. Deux filaments chauffants en platine, faisant partie d'un pont de Wheatstone entourent ce conduit. Les pôles d'un aimant permanent sont placés de part et d'autre d'une de ces résistances. Le pont est équilibré tant que la cellule est traversée par un gaz inerte. Lorsque le gaz analysé contient de l'oxygène, celui-ci est attiré par le champ magnétique dans le conduit central, il s'échauffe, sa susceptibilité magnétique diminue et il est remplacé par du gaz plus froid. Il s'établit donc un courant gazeux (vent magnétique). Ce dernier refroidit différemment les filaments et déséquilibre le pont. Ce déséquilibre est fonction de la teneur du gaz en oxygène.


Magnétodynamique

O2 concentration [0 , 100] % S = 10mV/% = ±0,1%

359

À convection thermomagnétique

O2 concentration [0 , 100] % S = 25mV/% = ±1%

361

363


366

16°) Applications


Ampérométrique à électrolyte liquide Détection gaz toxique ou explosif

Potentiométrique à électrolyte solide Contrôle combustion automobile (sonde lambda)

Ampérométrique à électrolyte solide Industries / Environnement

GasFET Capteur odeur / Nez électronique

Catalytique Explosimètre

Catharométrique Chromatographie en phase gazeuse

MOX Domotique / Automobile

(air conditionné) Onde de surface Toxicologie / Médical

Microbalance Qualité de l’air / Chimie

Capacitif Sécurité

Fibre optique Zones dangereuses et explosives

Détecteur à infrarouge Raffinerie

Photo-ionisation Substance toxique

Paramagnétique Pétrochimie

367

XXIII) CAPTEURS D’HUMIDITÉ 1°) Définitions L'humidité est définie comme la teneur en vapeur d'eau dans l'air (ou dans un gaz).

a) Humidité absolue

Quantité de vapeur d’eau contenue dans un volume d’air humide à une température et une pression donnée.

3eau

total

mHA = (g/m )

V

b) Humidité saturante Quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir un volume d’air à une température donnée et une pression donnée.

3eau max

total

mHS = (g/m )

V

c) Humidité relative ou RH Rapport entre la quantité de vapeurs d'eau contenue dans un volume d'air à une température donnée et la quantité maximale de vapeur d'eau que peut contenir ce même volume d'air à la même température et la même pression.

HAHR = .100 (%)

HS

d) Point de rosée

Température ou pression à partir de laquelle le gaz commence à se condenser (passage de l’état gazeux à l’état liquide).

368

e) Diagramme de l’air humide Permet de calculer l’humidité relative connaissant la température et l’humidité absolue.

À pression atmosphérique

370

2°) À variation d’impédance

a) Résistif

Principe Il est basé sur le changement de résistance d’une couche sensible à l’absorption d’humidité. Trois types de matériaux conducteurs sont utilisés : Céramique Polymère Sel

Principe


371

Constitution

La loi de variation est du type exponentiel décroissant et dépend de la température.

372

Exemple industriel (Ohmic)

b) Capacitif

Principe Le principe de ce type de capteur est basé sur la variation de la capacité d'un condensateur par l'intermédiaire de sa constante diélectrique. Le diélectrique, d'une épaisseur de quelques micromètres, adsorbe les molécules d'eau de l'air ambiant jusqu'à l'équilibre :

6S 0 rr

48.P . .S211 = 1 + .(P + .HR).10 C = = C(HR)

T T e

T = température en Kelvin P = pression de la vapeur d’eau Ps = pression de la vapeur saturée S = surface électrodes e = épaisseur du diélectrique

HR [20 , 90] % R50% = 55k = ±2%

373

Coupe Constitution

Exemple de réalisation en MEMS

374

Exemple de courbe de réponse (pF)


Capteur nu (Hygrosens Instruments)

Capteur intégré (Honeywell)

HR [0 , 100] % S = 0,6pF/%RH = ±2%

HR [0 , 100] % S = 30mV/%RH = ±3,5%

375

MEMS (Sensirion)

3°) À conductivité thermique

a) Principe

Également connu en tant que capteur d'humidité absolue, il mesure l'humidité en calculant la différence entre la conductivité thermique de l'air sec et celle de la vapeur d'eau contenue. Ces capteurs sont construits en utilisant deux thermistances à coefficient de température négatif (CTN) dans un pont de Wheatstone. Un des éléments est hermétiquement encapsulé dans de l'azote sec et l'autre est exposé à l'environnement.

La différence de résistance entre les deux thermistances est directement proportionnelle à l'humidité absolue.

HR [0 , 100] % Sortie série 12bits = ±0,04% Compensé en température

376

b) Exemple industriel (Hygrosens Instrument)

4°) À condensation

a) Principe de la mesure

Les hygromètres à condensation mesurent la température de rosée ou du givre d'un gaz. Le principe de mesure d’un hygromètre à condensation repose sur le refroidissement graduel d’un corps jusqu'à la formation d'un dépôt de rosée (ou de gelée) à sa surface. On stabilise ensuite le refroidissement de façon à maintenir un état d'équilibre entre la vapeur contenue dans l'air et le dépôt de rosée (ou de gelée). Une fois l'équilibre atteint, la température de ce dépôt est par définition la température de rosée (ou de gelée) de l'air. b) Principe du capteur

Le gaz dont on désire mesurer la teneur en eau (ou produits condensables) circule dans la tête de mesure, au voisinage d'un miroir que l'on peut refroidir. Lorsque l'abaissement de la température est suffisant pour faire apparaître un condensant (rosée ou givre) sur le miroir, les conditions de saturation sont réalisées, on stabilise alors le refroidissement pour maintenir un état d'équilibre entre la vapeur contenue dans le gaz humide et le dépôt de rosée ou de givre. La température mesurée est, selon la nature soit celle du point de rosée soit celle du point de givre.

HA [0 , 130] g/m3

S = 0,15mV/g/m3 = ±20%

377

Le module thermoélectrique est basé sur le principe d'effet Pelletier. La source de lumière éclaire le miroir de façon que le détecteur ne soit pas illuminé en l'absence de condensat. La régulation provoque alors le refroidissement du miroir jusqu'à l'apparition de la condensation. Lorsque apparaît une couche de rosée ou de givre la lumière diffusée atteint le détecteur qui, par l'intermédiaire de la régulation, commande le réchauffage du miroir. La température du miroir remontant, la rosée disparaît et donc la lumière diffusée, entraînant à nouveau le refroidissement du miroir. Grâce à une régulation appropriée, on peut réguler une épaisseur fine de condensat et arriver ainsi à un état d'équilibre entre le gaz et le condensat. La sonde de température placée derrière le miroir permet alors de connaître la température de celui-ci. c) Exemple industriel (Bakrona)

TRosé [-35 , 25] °C

= ±0,15°C

378

5°) À oxyde métallique

a) Principe

Ces hygromètres sont de la même famille que les hygromètres à variation d’impédance mesurant l’humidité relative, mais ils ont été particulièrement étudiés pour la mesure de la température de rosée.

Par exemple, l’hygromètre à oxyde d’aluminium est un type particulier de capteur capacitif. Le capteur est constitué d’une plaque d’aluminium anodisé recouvert d’une très mince couche poreuse d’oxyde d’aluminium. Une très fine couche d'or, également poreuse, est déposée sur cette surface. La base en aluminium et la couche d’or forment les deux électrodes d’un condensateur, dont le diélectrique est la couche poreuse d’oxyde d’aluminium.

Constitution

Coupe

379

b) Exemple industriel (General Eastern)

6°) Hygromètre électrolytique

a) Principe

Le gaz à analyser circule dans un tube contenant un enroulement de deux électrodes (en platine ou en rhodium) entre lesquelles se trouve une couche d’anhydride phosphorique (P2O5).

TRosé [-90 , 20] °C

= ±2°C

380

La vapeur d’eau contenue dans le gaz est absorbée par l’anhydride phosphorique qui se transforme en acide phosphorique. Une tension continue appliquée entre les électrodes provoque l’électrolyse de l’eau avec dégagement d’hydrogène et d’oxygène, et régénération de l’anhydride phosphorique. La quantité d’électricité passant à travers le film dépend de la quantité d’eau absorbée, suivant la loi de Faraday (96500 Coulombs dissocient 9 g d’eau) : I = K.Dm.HA K = constante de Faraday = 9,65.104 C/mol Dm = débit massique

Habituellement, le résultat est exprimé en ppm volume. b) Exemple industriel (DKS)

HA [0 , 2000] ppm-vol

S = 100µA/ppp-vol = ±2%

381

7°) Psychromètre

a) Principe

Le psychromètre électronique à aspiration est un appareil qui peut être utilisé pour des mesures ponctuelles ou en continu. Il a remplacé le psychromètre mécanique à base de thermomètres à mercure (Ernst Ferdinand August en 1825).

Principe de base

Une des deux sondes thermométriques (TF) est maintenue humide au moyen d'un tissu de coton (B) relié au réservoir d'eau situé sous le tube d'aspiration (W), mesure le point de rosée, c'est-à-dire le froid dû à l'évaporation. L’autre sonde (TT) mesure la température normale de l'air du local. Le refroidissement par évaporation du capteur humidifié (FF) est assuré par le ventilateur (M+V), commandé électriquement, faisant circuler l'air à la vitesse préconisée par le constructeur.

Coupe du capteur

382

La mesure de l'humidité relative est déterminée au moyen de la formule de Sprung (1976), et se fait en deux étapes. Tout d'abord par : e(TF) - ea = .(TT - TF) = A.P.(TT - TF) e(TF) : pression de saturation de l'air à TF (Pa) ea = pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air (Pa) = coefficient psychrométrique (Pa.K-1) P = pression atmosphérique l'air (Pa) A = constante psychrométrique (°C-1) TT = température sèche (°C) TF = température humide (°C)

(Pa.K-1) 130 90 75 71 67

Vitesse ventilation (m.s-1)

0,12 0,5 1 2 4

Ensuite, calcul de l'humidité relative par :

a F T F

T T

e e(T ) - A.P.(T - T )HR = =

e(T ) e(T )

e(TT) = pression de saturation de l'air à la température TT (Pa) La mise en œuvre de cette relation exige la connaissance avec une approximation suffisante des pressions de saturation de la vapeur en fonction de la température. Deux équations permettent de calculer la pression de saturation de l'air e(TF) à la température TF :

Régression polynomiale

e(TF) = 610,868 + 44,396.TF + 1,43355.TF2 + 0,0263212.TF

3 (Pa)

Exponentielle, formule de Teller (1976) avec P (Mbar) et Ta (°C)

F

F

17 ,27.TT + 273,3

Fe(T ) = 6,102.e (Mbar)

383

Les calculs sont effectués par un microcontrôleur pour les modèles portables. La durée d'utilisation en continu de ce type de psychromètre est essentiellement fonction de la capacité du réservoir, très variable suivant les modèles. Il est donc nécessaire de vérifier régulièrement le niveau du réservoir ainsi que le bon mouillage de la mèche.


Mécanique (PCE Inst)

HR [0 , 100] %

= ±2%

384

Électronique (Ahlborn)

Avec thermomètre (UEI)

HR [10 , 100] %

= ±1%

HR [0 , 100] %

HR = ±3% T [-20 , 50] °C T = ±1%

385

8°) Synthèse

388

10°) Applications


Résistif Air conditionné

Capacitif Médical, météorologie

À conductivité thermique Four à injection de vapeur

À condensation Référence métrologique / Laboratoire

À oxyde métallique Moisissure

Hygromètre électrolytique Mesure de gaz

Psychromètre Station météo, musée, serre

389

XXIV) DÉTECTEURS DE FUMÉE, DE FLAMME ET D’INCENDIE 1°) À ionisation

a) Principe

La partie clé de ce type de capteur est une chambre d'ionisation contenant moins d'un milligramme d’élément radioactif américium-241 (Am241), cet élément étant une source naturelle de particules (voir chapitre XIX-1) La chambre d'ionisation ressemble à un condensateur plan ou cylindrique.

Vout = Vr – R.i

La tension crée un champ électrique entre les plaques. L'espace entre les plaques est rempli d'air aspiré à partir d'entrées sur les côtés des plaques. En l’absence de particules , aucun courant ne peut passer de la plaque positive à celle mise à la terre, parce que l'air est un isolant. Les particules émises l'élément radioactif ont une énergie d'environ 5 MeV, soit suffisamment d’énergie pour casser les molécules en ions chargés positivement et négativement. Les ions chargés et les électrons sont attirés par le champ électrique dans les directions opposées : électrons vers la plaque positive et ions vers la plaque mise à la terre. Il en résulte un petit courant électrique i, indiquant La faible tension électrique indique l’absence de fumée dans la chambre d'ionisation.

390

Lorsque la fumée est aspirée dans la chambre d'ionisation et passe entre les plaques, ses particules absorbent le rayonnement , réduisant ainsi l'ionisation de l'air et donc i.

On utilise des particules et non ou car elles sont bien moins pénétrantes dans le corps humain et plus facilement absorbées par le boîtier !!!

Le traitement du signal délivré par la chambre d’ionisation peut se faire de différentes façons :

En utilisant deux chambres d’ionisation : l'intensité du courant entre la chambre de mesure et la chambre de référence diminue et, à partir d'un certain seuil, le détecteur déclenche l'alarme.

391

En utilisant une seule chambre : l’avantage est la réduction de l’activité totale des sources ionisantes du détecteur. Cela nécessite une géométrie de la chambre spécifique ainsi qu’une tension de polarisation bien particulière afin de s’affranchir des variations lentes des conditions atmosphériques. On peut également mémoriser un état moyen de la chambre pendant quelques dizaines de minutes afin d’élaborer un signal de référence.

Ce détecteur est particulièrement utile pour détecter la fumée composée de très petites particules (submicroniques) comme ceux qui sont générés par les grands incendies. b) Exemple industriel

2°) Photoélectrique à diffusion

a) Principe Ce détecteur met à profit l'effet Tyndall. Dans la chambre d'analyse, une DEL et une photodiode sont placées de telle façon que cette dernière ne reçoive jamais la lumière de la DEL en l'absence de fumée. La pénétration de fumée dans la chambre d'analyse entraîne la réflexion de la lumière de la LED sur les particules de fumée, donc la sollicitation de la photodiode.

392

Ce détecteur est très efficace pour les fumées blanches. Il l'est un peu moins pour les fumées noires, à cause de leur faible réflectivité. Ils sont particulièrement adaptés à la détection des feux couvants. b) Exemple industriel (Notifier)

3°) Photoélectrique à absorption

a) Principe

Un émetteur envoie un faisceau infrarouge ou laser vers un récepteur. En présence de fumée, la lumière émise est diffusée dans toutes les directions et le récepteur reçoit une quantité de lumière inférieure à celle reçue en veille. Au-dessous d’une valeur déterminée du rayonnement infrarouge, l'alarme se déclenche. On utilise surtout ce type de détecteur pour les grands volumes, lorsque le sol est encombré ou si l'installation d'un détecteur ionique est rendue difficile par l'environnement. Le détecteur envoie des impulsions lumineuses (infrarouges) qui sont traitées par la partie réceptrice. Le détecteur mesure en permanence le niveau du signal reçu. Une baisse du signal reçu est interprétée comme une présence de fumées.

393

Il existe deux types de détecteurs linéaire de fumée :

par projection : émetteur et récepteur sont installés à chaque extrémité de la zone à protéger)

par réflexion : émetteur et récepteur sont combinés dans la même unité, l'infrarouge est reflété au récepteur par un catadioptre.


394

4°) Détecteur de flamme

a) Flamme Une flamme est caractérisable par son spectre de rayonnement lumineux :

Malheureusement, un grand nombre d'interférences se rajoutent au spectre mesuré :

395

b) Principe de mesure

Un capteur optique détecte le rayonnement lumineux de la flamme.

Ensemble des spectres

On trouve 4 types :

UV seul

396

Infra-rouge seul

Multi IR

UV + IR

397

c) Synthèse

398

d) Exemples industriels IR (DEF)

Multi IR (Simtronics)

UV (Honeywell)

Capteur seul

399

UV + IR (SensWARE)

5°) Détecteur thermo vélocimétrique

a) Principe

Le détecteur thermo vélocimétrique utilise le principe de la mesure de la température par l’intermédiaire d’un capteur à très faible inertie. Il associe à la fois l’effet thermo vélocimétrique (mesure différentielle) pour les pentes d’élévation de température supérieures à quelques °C/min et l’effet thermostatique pour les pentes d’élévation plus faibles. Il mesure donc la vitesse d'élévation de la température, donnant généralement une information plus précoce que les thermostatiques : si la température varie fortement en peu de temps, l'alarme est donnée. Il donne en revanche beaucoup plus de fausses alarmes s'ils sont mal placés comme l’élévation rapide de la température due à l'ouverture d'un four dans une cuisine industrielle ou à la mise en route d'une chaudière. Il peut être ponctuel (augmentation de température aux environs du détecteur) ou linéaire (augmentation de température sur une portion du capteur).

400

b) Exemple industriel (Cooper Safety)

6°) Critères de choix

d = 8°C/min

dt

Surface surveillée = 35m2

402

8°) Applications


À ionisation Alarme incendie

Photoélectrique à diffusion Navire

Photoélectrique à absorption Bâtiment, usine, entrepôt

Détecteur de flamme IR Zone ATEX

Détecteur de flamme multi IR Raffinerie

Détecteur de flamme UV Détection de décharge

Détecteur de flamme UV + IR Station service

Détecteur thermo vélocimétrique Sécurité incendie tunnel routier

403

XXV) CAPTEURS DE VIDE 1°) Le vide

a) Définition

Quand on parle de « vide », il faudrait plutôt parler d’atmosphère raréfiée. En effet, le vide absolu n’existe pas, même au plus profond de l’espace intergalactique où l’on rencontre encore entre 1 et 10 particules par m3. Le vide correspond donc à une diminution de la quantité de gaz dans un volume donné. Cette donnée est impossible à mesurer directement, en réalité, on la mesure indirectement par la pression. On se référera donc au chapitre XV. Le meilleur « ultravide » obtenu sur terre (10-14 mbar, soit 10-17 atmosphère ou 270 molécules/cm3) est encore très supérieur au vide interstellaire (de l’ordre de 10-16 mbar, soit environ 10 molécules/cm3) et un vide intergalactique (environ 10-22 mbar ou 10-25 atmosphère). Les raisons de faire le vide sont multiples : il peut s’agir de réduire l’effet de certains gaz actifs comme l’oxygène, de favoriser le dégazage, de réduire les interactions d’un échantillon avec son environnement et en microscopie électronique, de réduire les interactions avec le faisceau d’électrons. Pour obtenir le vide, on utilise des pompes.

b) Unités

404

Tableau des pressions du vide

405

c) Types de vide

d) Pompes

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2°) Jauge Pirani (1906)

a) Principe

Basé sur la mesure de la dissipation thermique d’une résistance selon la pression.

Le filament est parcouru par un courant I qui provoque par effet Joule son échauffement. À l'équilibre thermique la puissance Joule PJ = R.I2 compense les pertes par rayonnement PR, par conduction au travers du support du filament PS et par conduction avec le gaz de l'enceinte PG soit PJ =PR + PS + PG Le capteur comprend deux résistances :

- Une placée dans le vide à mesurer - Une placée dans un vide de référence. L’ensemble est inséré dans un pont de Wheatstone.

408

Le principal inconvénient est que la conductivité thermique varie énormément d’un gaz à l’autre. Un étalonnage est donc nécessaire, la plupart des jauges sont calibrées pour l'air, on utilise un abaque pour les autres gaz.

Par contre, la sensibilité est maximale pour des pressions faibles. b) Exemple industriel (Stanford Research Systems)

Gamme = |10-4, 103] Torr S = 10mV/Torr = ±10%

409

3°) Jauge capacitive

a) Principe Elle est constituée d’une membrane déformable donc mobile (voir chapitre XV-2) qui sert d’armature à un condensateur plan. La variation de pression provoque une déformation de la membrane et donc une variation de capacité.

Principe – Relatif

Principe – Absolu (différentiel)

b) Exemple industriel (Thyracount)

Gamme = |10-2, 150] Torr S = 67mV/Torr = ±0,25%

410

4°) Jauge à thermocouple

a) Principe

Un courant constant chauffe le filament. La conductivité thermique du gaz dépendant directement de la pression, la température mesurée par le thermocouple est donc l’image fidèle de la pression.

Transfert thermique dans un gaz

Principe du capteur

411

Comme pour la jauge de Pirani, la nature du gaz modifie la réponse de la jauge, on utilise donc un abaque.

b) Exemple industriel (MDC)

Gamme = |10-3, 1] Torr S = 20mV/Torr = ±15%

412

5°) Jauge piézorésistive

a) Principe

Reprend le principe de la jauge capacitive, mais mesure la contrainte au moyen de 4 jauges piézorésistives montées en pont de Wheatstone.

Pont Intégration

b) Exemple industriel (Hasting Instruments)

6°) Jauge ionisation Penning (cathode froide)

Gamme = |10-1, 103] Torr S = 5mV/Torr = ±0,25%

413

6°) Jauge à ionisation Penning (cathode froide)

a) Généralité Pour la mesure des vides poussés et ultravides les capteurs précédents ne conviennent pas puisque la réduction de pression se traduit par une disparition des échanges thermiques via les molécules. La solution a été d’associer un champ électrique important à une source contrôlée d'électrons dont la trajectoire favorisera l'ionisation par choc des molécules gazeuses rencontrées, les ions étant récupérés sur une électrode ad hoc.

La loi de variation est de la forme 0

PI = A.Log

P

,

A = constante dépendante du dispositif, P0 pression en dessous de laquelle décharge (ionisation). Un tel dispositif permet de mesurer jusqu’à 10-2 Pa.

Principe de base et photo

b) Principe

Appelée aussi jauge Philips.

Pour étendre vers les basses pressions le phénomène de décharge, la première possibilité est d'ajouter un champ magnétique (Penning, 1937) lequel combiné au champ électrique inter électrodes va obliger les électrons à suivre des

414

trajectoires hélicoïdales ce qui augmente fortement leur probabilité de rencontrer de molécules et donc le rendement d'ionisation.

Constitution

Les deux cathodes sont reliées électriquement et une différence de potentiel de 1 500 à 2 000 V est créée entre elles et l’anode tubulaire centrale. Cette disposition des électrodes provoque des oscillations des particules chargées électriquement, ce qui augmente ainsi leur parcours.

Trajet des électrons

La loi de variation est de la forme nI = k.P . Sa sensibilité dépend du gaz.

L’anode peut être sous la forme d’une boucle, d’un cylindre ou d’un fil rectiligne.

1 : l’électron quitte la cathode C 2 : l’électron fait des allers et retours à travers l'anode 3 : des électrons entrent en collision une molécule et la ionise 4 : l’anode A récupère l’ion

415


c) Exemple industriel (Inficon)

Gamme = |10-9, 10-2] Torr S = 20µA/µTorr = ±10%

416

7°) Jauge à ionisation Bayard–Alpert (cathode chaude) a) Principe

L'étape suivante a consisté à augmenter l'émission d'électrons par le biais d'une cathode chauffée. La jauge à ionisation développée par Bayard et Alpert (1953) permet de mesurer des pressions aussi faibles que 5.10-9 Pa. Ce résultat est obtenu en diminuant sensiblement la surface du collecteur d'ions qui n'est plus qu'un simple filament entouré par la grille réceptrice des électrons. Le filament chauffé, émetteur d'électrons, est extérieur à cette structure (on parle de jauge inversée par comparaison avec la structure triode de Buckley).

Principe

417

On retrouve : un filament, chauffé à haute température (environ 800°C), relié au

potentiel de la terre, qui constitue l’émetteur d’électrons (Ie = N.e) une grille cylindrique, portée à une tension d’environ 200 V, destinée à

accélérer les électrons et à les faire osciller pour allonger leur trajectoire moyenne

un filament fin, placé au centre de la grille, et porté à un potentiel

négatif d’une vingtaine de volts, qui sert de collecteur d’ions.

Principe de la génération d’ions

Les ions sont essentiellement produits à l’intérieur de la grille qui sert alors de repousseur et pousse les ions vers le collecteur. La grande différence avec la jauge de Penning est que les paramètres fonctionnels sont ajustables et peuvent être contrôlés en permanence, ce qui fait de la jauge de Bayard et Alpert un capteur précis et fidèle.

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Courbe de réponse

La loi de variation est de la forme I = k.Ie.P, dans la zone utile. Sa sensibilité dépend du gaz.

b) Exemple industriel (Stanford Research Systems)

Gamme = |2.10-10, 10-3] Torr S = 1mA/mTorr = ±3%

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9°) Applications


Jauge de Pirani Circuits de sécurité dans les systèmes à vide

Jauge de capacitive Milieu corrosif – Industrie chimique

Jauge à thermocouple Processus industriels - Cryogénie

Jauge piézorésistive Processus industriels - Accélérateur de particules Jauge à ionisation Bayard–Alpert

Pompe à vide - Stérilisation

Jauge à ionisation Penning Physique haute énergie – Métallisation sous vide

421

XXVI) CAPTEURS BIOLOGIQUES 1°) Généralités Les biocapteurs sont des outils analytiques pour l'analyse d’échantillons de biomatériaux afin d’obtenir une compréhension de leur bio-composition, de leur structure et de leur fonction. Leland C. Clark Jr. (1918–2005) est considéré comme le ‘père’ des biosensors. Le dispositif d'analyse est composé d'un élément de reconnaissance biologique directement relié à un transducteur de signal qui transforme la concentration d'une substance ou d’un constituant chimique (analyte) en un signal électrique.

Principe d’un biocapteur

422

Les contraintes sont sévères : adaptation à la biomolécule de reconnaissance adaptation au transducteur adaptation au milieu à tester adaptation à un procédé industriel de fabrication.

Biomolécules et propriété de reconnaissance 2°) Bio récepteurs

a) Définition et rôle

Son rôle est d’assurer la reconnaissance moléculaire du bio-analyte. Il doit présenter, par rapport à cette espèce cible, une bonne affinité, déterminant le premier niveau de sensibilité du capteur ainsi qu’une bonne sélectivité (électronique) ou spécificité (biologie). Le caractère réversible, recherché pour la réalisation de microcapteurs chimiques, n'est généralement pas accessible dans le cas des biocapteurs, du fait des réactions mises en jeu.

423

b) Catalyse (Métabolique)

C’est une molécule qui, en petite quantité, accélère la vitesse d'une réaction et qui revient à sa forme initiale à la fin de la réaction. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques.

Catalyse enzymatique

Il existe cinq classes principales d'enzymes. Parmi les enzymes les plus utilisées, citons les oxydoréductases et les hydrolases, qui catalysent respectivement des réactions d’oxydoréduction et d’hydrolyse spécifiques. L’inconvénient des enzymes est qu’ils nécessitent des étapes de purification et d’extraction assez coûteuses. On utilise aussi des coenzymes ou même des cellules entières contenant des coenzymes qui permettent la détection de plus d’espèces. Utilisé pour des concentrations de 10-6 à 10-3 mol.

424

Exemples

425

c) Affinité L'affinité décrit la force d'une interaction non covalente entre une macromolécule biologique, acide nucléique ou protéine, et un ligand qui se fixe à sa surface : c'est la somme des forces de liaison et de répulsion. Elle se mesure quantitativement par le biais de la constante d'équilibre association-dissociation, appelée parfois constante d'affinité. Cette affinité repose sur la nature, la géométrie et le nombre des interactions physiques entre le ligand et sa cible (interactions électrostatiques, liaisons hydrogènes, liaisons hydrophobes ou interactions de Van der Waals). Ce type de biorécepteur utilise des immuno récepteurs basés le principe d'affinité, comme les réactions antigènes-anticorps, mais la liaison est normalement irréversible. Alors que dans le cas d’une activité catalytique, les sites récepteurs sont régénérés au cours de la réaction, ici un nombre élevé d’espèces cibles sature progressivement le capteur. Le renouvellement de la surface du récepteur doit être effectué périodiquement, par conséquent, un fonctionnement continu n'est pas possible.

Affinité antigène-anticorps

Un anticorps est une substance glycoprotéique (protéines associées à des complexes hydrocarbonés ou sucres), synthétisée par les cellules du système immunitaire en réaction à l’introduction d’un antigène (corps étranger), sur lequel il se fixe spécifiquement pour en neutraliser l’effet toxique.

426

Un antigène est une substance isolée ou portée par un micro-organisme (molécule, hormone, virus, bactérie), qui déclenche la production d’anticorps avec lesquels il réagit spécifiquement. Ainsi, l’un peut jouer le rôle de biorécepteur spécifique de l’autre. Ce type de récepteur est plutôt utilisé pour des détections « one-shot » ou pour la détection de très faibles concentrations (10-9 à 10-6 mol). Les acides nucléides (ARN et ADN) et la lectine (protéine qui se lie avec les glucides) sont aussi utilisés.

d) Matière vivante La caractéristique commune des biocapteurs vivants est qu'ils utilisent des micro-organismes, des cellules et des tissus vivants comme organismes récepteurs, contrairement aux autres types de biocapteurs qui contiennent uniquement des matériaux extraits des êtres vivants. Il est possible de fabriquer des combinaisons uniques d'enzymes ou des récepteurs de grande sensibilité physiologique, ce qui est impossible à reproduire en utilisant des enzymes isolées dans le biocapteur. Un autre avantage est que ces matériaux peuvent s'acquitter de leurs fonctions biologiques naturelles au sein de leurs milieux biologiques. Dans ces circonstances, ces composés bioactifs peuvent avoir la meilleure activité et durée de vie, et peuvent même être régénérés ou resynthétisés par des organismes vivants. Ainsi, une meilleure stabilité des capteurs peut être attendue. Si les organismes vivants périssent, de brusques changements observables se produisent dans le comportement du capteur, au lieu d'une lente dérive due à la dissolution du récepteur comme dans les types précédents de biocapteurs.

e) Hybridation C'est un système de récepteurs présentant à la fois une forte affinité, comme les anticorps, et une phase d'amplification, comme les enzymes, permettant de détecter des concentrations dans la gamme 10-15 à 10-12 mol.

427

C’est le cas lorsque deux brins séparés d’une molécule d’ADN interagissent pour reformer la double hélice de départ, ou lorsqu’une molécule d’ARN messager s’hybride avec la séquence du gène dont il est transcrit. On tente aujourd’hui de réaliser des capteurs à protéines, en utilisant des biorécepteurs à base d’anticorps dans le but d’analyser la composition en protéines de cellules ou de protéines d’une cellule pour en étudier les propriétés. La difficulté dans l’utilisation des protéines (réactions anticorps-protéine) est liée au fait que leurs propriétés dépendent beaucoup de leur structure tridimensionnelle, et que cette structure est beaucoup plus complexe et fragile que celle des acides nucléiques.

f) Classification

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3°) Transducteurs Les transducteurs reprennent des principes présentés dans les capteurs chimiques. On se référera donc aux chapitres XX, XXI et XXII.

430

Comparaison

Combinaisons

431

Combinaisons

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Exemples

433

Exemples

5°) Exemples de capteurs

a) Capteur de taux de glucose Constitution

Basé sur la catalyse enzymique. Le sang arrive à la zone réactive par capillarité. Son transducteur est souvent un ISFET.

Constitution

434

Assemblage

Exemple industriel (CiT)

Gamme = |1, 60] mmol/l = ±1mmol/l

435

b) Capteurs d’ADN

Constitution

Utilisent en général une biomembrane et le principe d'hybridation comme événement de reconnaissance. Tous les types de transducteurs peuvent être employés. Sont souvent sous la forme de micro réseaux (DNA Chips). Les nanoparticules sont de plus en plus utilisées dans ces capteurs.

Principe de reconnaissance avec un transducteur électrochimique

Principe du DNA Chip

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Constitution et hybridation

Exemples

Structure d’un DNA Chip

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Deux exemples de réalisations 6°) Domaines et applications

Domaine Exemple d’applications Agroalimentaire Analyse des aliments, capteurs de goût Pharmaceutique Développement de médicaments Chimie Étude de biomolécules Police scientifique Analyse d’échantillons Médical Diagnostique Environnement Qualité air, eau, … Capteurs d’odeurs Industriel Contrôle de processus de fabrication Militaire Détection d’armes biologiques

438


439

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Je vous remercie d’être arrivé jusqu’à cette dernière page,

vous avez fait preuve de curiosité et de motivation

C.H.

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